Способ определения параметров лчм сигналов

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к способам и технике радиотехнического мониторинга источников радиоизлучений (ИРИ) с линейно-частотно-модулированными (ЛЧМ) сигналами. Достигаемый технический результат - повышение точности определения ширины спектра ЛЧМ сигнала путем учета взаимного перемещения носителя ИРИ и носителя автокорреляционного приемника (АКП). Указанный технический результат достигается за счет определения радиальных скоростей движения носителей источника радиоизлучения и приемника, средней длины волны ЛЧМ сигналов, измерения периода следования ЛЧМ сигналов и определения ширины спектра ЛЧМ сигналов по формуле:

где f_p(n) - разностная частота сигнала на выходе автокорреляционного приемника, τ_з - время задержки принятого ЛЧМ сигнала, τ_u - длительность ЛЧМ сигнала, V_rИ(nT_u) - радиальная скорость движения носителя источника радиоизлучения, V_rП(nT_u) - радиальная скорость движения носителя приемника, T_u - период следования ЛЧМ сигналов, λ - средняя длина волны ЛЧМ сигналов, $$n=\overline{1\dots N}$$ , N - количество ЛЧМ сигналов. 4 ил.

 

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к способам и технике радиотехнического мониторинга источников радиоизлучений (ИРИ) с ЛЧМ сигналами.

Известны следующие методы и способы измерения параметров сигналов с частотной модуляцией [Смирнов Ю.А. Радиотехническая разведка. - М.: Воениздат, 2001, с. 129-133]: с помощью неперестраиваемого и перестраиваемого радиоприемного устройства, функциональный метод, метод свертки спектра сигнала.

Наиболее близким по технической сущности (прототипом к предлагаемому изобретению) является метод технического анализа сложных сигналов в средствах радиотехнического мониторинга (РТМ), заключающийся в сравнении сигнала с его задержанной копией на выходе автокорреляционной схемы [Смирнов Ю.А. Радиотехническая разведка. - М.: Воениздат, 2001, с. 125-128], основанный на приеме сигнала автокорреляционным приемником (АКП), определении длительности импульса τ_u методом генератор-пересчетной схемы [Смирнов Ю.А. Радиотехническая разведка, - М.: Воениздат, 2001, с. 108-111] и определении ширины спектра сигнала Δf_c согласно выражению (фиг. 1):

где f_p - разностная частота сигнала на выходе АКП, τ_з - длительность задержки сигнала.

Недостатком устройства-прототипа является наличие большой ошибки в определении ширины спектра ЛЧМ сигналов Δf_c в случае быстрого взаимного перемещения носителя ИРИ (например, космического аппарата (КА) с РЛС) и носителя АКП при определении параметров ЛЧМ сигналов.

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, выражается в повышении точности определения ширины спектра ЛЧМ сигнала Δf_c путем учета взаимного перемещения носителя ИРИ и носителя АКП.

Указанный технический результат достигается реализацией в цифровом виде процедур учета доплеровского смещения частоты принимаемого сигнала, обусловленного взаимным перемещением носителя ИРИ и носителя АКП.

Сущность способа заключается в том, что дополнительно определяют радиальные скорости движения носителей источника радиоизлучения и приемника, измеряют период следования и длину волны ЛЧМ импульсов и определяют ширину спектра ЛЧМ импульсов.

В предлагаемом способе выполняется следующая последовательность операций (фиг. 2):

1. Прием сигнала S_вх(t) АКП и его фильтрация. С учетом движения носителя ИРИ и носителя АКП ЛЧМ сигнал в общем виде опишем следующим образом:

где t∈[t_s; t_s+τ_u], $$n=\overline{1\dots N}$$ , N - номер излучаемого импульса, f₀ - несущая частота входного сигнала, V_rИ(nT_u) - радиальная скорость носителя ИРИ в момент приема n-го зондирующего сигнала, V_rП(nT_u) - радиальная скорость носителя АКП в момент приема n-го зондирующего сигнала, λ - средняя длина волны зондирующего импульса, T_u - период следования зондирующего импульса;

где $$R_{r_n}$$ - расстояние, преодолеваемое n-м импульсом.

Причем, когда Δf_c больше полосы фильтра, возможен вариант приема сигнала несколькими фильтрами. Тогда ширина спектра сигнала будет оцениваться следующим образом:

где n - номер фильтра.

2. Задержка копии сигнала S_вх(t) в линии задержки на время τ_з.

3. Перемножение сигнала S_вх(t) с его задержанной копией S_вх(t-τ_з). Сигнал на выходе перемножителя АКП S_x(t) принимает вид:

4. Фильтрация низкочастотной составляющей сигнала S_x(t):

Сигнал S_нч(t,n) будет иметь дополнительный набег фазы от импульса к импульсу при условии, что V_rИ и V_rП изменяются.

5. Измерение разностной частоты линейкой доплеровских фильтров. Из выражения (8) с учетом (3)-(5) разностная частота f_p(n) и фаза принятого зондирующего импульса φ(T_u) в случае взаимного встречного (или противоположно направленного) движения носителя ИРИ и(или) носителя АКП зависят от V_nИ, V_rП, T_u, λ:

где

6. Определение длительности импульса τ_u, например, методом генератор-пересчетной схемы [Смирнов Ю.А. Радиотехническая разведка. - М.: Воениздат, 2001, с. 108-111].

7. Вычисление радиальной скорости движения носителя ИРИ V_rИ(nT_u)

где ρ_И - радиус-вектор носителя ИРИ, V_И - вектор скорости носителя ИРИ, |ρ_И| - дистанция между носителем ИРИ и носителем АКП.

Модуль вектора скорости движения носителя РЛС |V_И| может быть рассчитан следующим образом:

где f_гр - гравитационная постоянная, М_З - масса Земли, R_З - радиус Земли, h - высота полета КА РЛС.

Например, можно определять радиальную скорость космического аппарата (КА) - носителя РЛС на основе данных орбитальной модели SGP4 [Hoots F.R., Roehrich R.L. SpaceTrack Report #3. [Электронный ресурс]], которая позволяет осуществить предсказание орбитального положения КА.

8. Определение радиальной скорости движения носителя АКП V_rП(nT_u) в инерциальной навигационной системе (ИНС) [П.В. Бромберг. Теория инерциальных систем навигации. - М.: Наука, 1979, с. 71-122].

9. Определение периода следования ЛЧМ импульсов T_u, например, методом генератор-пересчетной схемы [Смирнов Ю.А. Радиотехническая разведка. - М.: Воениздат, 2001, с. 108-111].

10. Определение средней длины волны принимаемого импульса λ. Средняя длина волны λ рассчитывается следующим образом:

где c - скорость света, f_cp - средняя частота спектра сигнала, определяемая как центральная частота высокочастотного фильтра на входе приемника.

11. Определение ширины спектра сигнала Δf_c согласно выражению

Таким образом, в предлагаемом способе определения параметров ЛЧМ сигналов новыми существенными признаками изобретения являются вновь введенные процедуры 7-11.

Способ может быть реализован, например, с помощью автокорреляционного приемника с элементами цифровой обработки сигналов. Оцифровка сигнала может осуществляться как на частоте сигнала f₀, так и на разностной частоте f_P. Наиболее предпочтительным является вариант оцифровки на разностной частоте f_p, так как для этого могут быть применены сравнительно простой аналого-цифровой преобразователь (АЦП) с частотой дискретизации до десятков МГц и программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС) с меньшим количеством вентилей, реализующая цифровую доплеровскую фильтрацию сигналов.

На фиг. 3 изображена структурная схема предлагаемого способа, состоящая из ИНС 1, полосового фильтра высоких частот 2, вычислительного устройства №13, ответвителя 4, умножителя 5, линии задержки 6, полосового фильтра низких частот 7, АЦП 8, вычислительного устройства №29, реализующего алгоритм вычисления согласно выражению (20).

Определим влияние движения носителя АКП на точность определения разностной частоты в РЛС космического базирования. Исходя из условий однозначности по азимуту имеют место следующие ограничения на период следования зондирующих импульсов РЛС [Кондратенков Г.С., Фролов А.Ю. Радиовидение. Радиолокационные системы дистанционного зондирования Земли. Учебное пособие для ВУЗов./Под ред. Г.С.Кондратенкова. - М.: «Радиотехника», 2005, с. 122-134]:

где Δl - разрешающая способность РЛС по азимуту.

При малом аргументе tg(λ/4Δl) получим следующее выражение:

Тогда с учетом выражений (9) и (17) получим:

Полоса пропускания цифрового доплеровского фильтра при условии $$\Delta l=\Delta r=\frac{c}{2\Delta f_c}$$ и τ_{выборки}=T_u:

а измеренная разностная частота:

С использованием выражения (20) при условии движения носителя РЛС и носителя АКП навстречу друг другу (или в противоположные стороны) проведен расчет зависимости разностной частоты f_p(n) от разрешающей способности по азимуту Δl для различных диапазонов частот (9,5 ГГц, 36 ГГц) при τ_u=20; 100 мкс и ширине спектра зондирующего импульса Δf_с=2; 15 МГц. При изменении разрешающей способности по азимуту Δl от 0,5 м до 10 м (для Δf_c=15 МГц до 75 м) разностная частота f_p(n) изменяется в пределах 200 Гц. Из выражения (19) следует, что полоса пропускания доплеровского фильтра Δf_нч изменяется от 100 Гц до 750 Гц и, следовательно, изменение разностной частоты f_p(n) оказывает влияние на точность определения Δf_c особенно при значениях Δf_c меньше чем 4 МГц. Следовательно, в данном случае необходимо учитывать взаимное перемещение носителя РЛС и носителя АКП при обработке сигналов.

Предложенное техническое решение является новым, поскольку из общедоступных сведений неизвестны способы, позволяющие определять параметры ЛЧМ сигналов при помощи автокорреляционного приемника с элементами цифровой обработки сигналов при наличии доплеровского смещения их частоты.

Предлагаемое техническое решение практически применимо, так как для его реализации могут быть использованы стандартные радиоэлектронные устройства и средства. Расчет переменных выражения (15) может выполняться, например, в сигнальном процессоре ADSP-2181 путем реализации типовых ассемблерных процедур среды разработки Visual DSP++ (суммирования (процедуры 1 и 7 на фиг. 4), умножения (процедуры 2, 3 и 5 на фиг. 4) и деления (процедуры 4 и 6 на фиг. 4)) [Вальпа О.Д. Разработка устройств на основе цифровых сигнальных процессоров фирмы Analog Devices с использованием Visual DSP++. - М.: Горячая линия. - Телеком, 2007, стр. 266].

Способ определения параметров ЛЧМ сигналов, заключающийся в приеме ЛЧМ сигналов автокорреляционным приемником, измерении разностной частоты и определении длительности импульса и ширины спектра сигнала, отличающийся тем, что дополнительно определяют радиальные скорости движения носителей источника радиоизлучения и приемника, среднюю длину волны ЛЧМ сигналов, измеряют период следования ЛЧМ сигналов и определяют ширину спектра ЛЧМ сигналов по формуле:

где f_p(n) - разностная частота сигнала на выходе автокорреляционного приемника, τ_з - время задержки принятого ЛЧМ сигнала, τ_и - длительность ЛЧМ сигнала, V_rИ (nТ_и) - радиальная скорость движения носителя источника радиоизлучения, V_rП(nТ_и) - радиальная скорость движения носителя приемника, Т_и - период следования ЛЧМ сигналов, λ - средняя длина волны ЛЧМ сигналов, N - количество ЛЧМ сигналов.