СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ТЕКУЩЕГО ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО СПЕКТРА ВЫХОДНОГО СИГНАЛА ПРИЕМНИКА, УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ И СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДАЛЬНОСТИ Российский патент 2009 года по МПК G01S13/08 

Группа изобретений относится к цифровой вычислительной технике и может быть использована преимущественно в радиолокационных системах (РЛС) для измерения дальности до цели на основе одного процессора, а также в других областях техники, в том числе с использованием излучения электромагнитных волн, иных, чем радиоволны.

В цифровых приемниках современных РЛС, обрабатывающих большие цифровые массивы, классический метод обнаружения сигналов, несущих информацию о дальности до цели, осуществляется на основе корреляционного анализа и оптимальной фильтрации, производится с помощью многоканальной цифровой обработки малых цифровых массивов (расстановка каналов по дальности) [1]. Недостатком классического способа радиолокационного измерения дальности является многоканальность цифровой обработки сигналов в реальном масштабе времени, что существенно усложняет их аппаратурную реализацию на основе построения специализированных многопроцессорных систем.

Известен способ оценки дальности, при котором принимают с частотой тактов зондирования ограниченный во времени управляемым временным стробом приемника сигнал, содержащий отраженный от цели полезный сигнал, шумы и помехи, преобразуют его в цифровую форму в виде последовательности цифровых кодов длиной L отсчетов; формируют и запоминают последовательности цифровых отсчетов в виде двух когерентных числовых выборок длиной L отсчетов. Если радиолокационный зондирующий сигнал не модулирован, то когерентные числовые выборки суммируют и из полученной последовательности формируют перекрывающиеся на Δn отсчетов последовательности чисел длиной, равной количеству N отсчетов зондирующего сигнала, для каждой из полученных последовательностей определяют функцию спектральной плотности Фурье и сравнивают ее с пороговым значением, по значению величины и координаты порогового превышения функции спектральной плотности Фурье определяют признак наличия отраженного от цели сигнала в стробе, доплеровское смещение по частоте и положение последовательности длиной 2N отсчетов, содержащей отсчеты отраженного сигнала - интервал линейных сверток, по которым определяют грубую оценку дальности с точностью, соответствующей интервалу перекрытия Δn, и скорости цели с точностью, соответствующей длительности зондирующего сигнала. Если радиолокационный зондирующий сигнал модулирован, то формируют когерентные числовые выборки длиной 2N отсчетов и суммируют их, полученную последовательность запоминают, путем поэлементного сложения первой и второй половин этой последовательности формируют циклический сигнал длиной N отсчетов, производят вычисления быстрой циклической свертки с помощью быстрого преобразования Фурье или Хартли, определяют значения величин и координат порогового превышения значений свертки с точностью до отсчета, по которым определяют радиальную дальность до цели с точностью, соответствующей интервалу оцифрения отраженного сигнала.

Данный способ обеспечивает упрощение структурной схемы цифрового устройства оценки дальности, уменьшение сложности и объема аппаратурной реализации при сохранении высокого качества работы РЛС. Использование быстрого преобразования Хартли для выполнения циклической свертки не требует устройств формирования квадратурных каналов, способствует получению более простой формы программного кода, что также упрощает устройство в целом [2].

Причинами, препятствующими достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа оценки дальности, являются значительные трудоемкость и вычислительные затраты, обусловленные большим объемом вычислений, связанных с определением интервала линейных сверток, что требует применения большого объема сложных и дорогостоящих цифровых процессоров обработки сигналов (ЦПОС) и ограничивает быстродействие РЛС в процессе обнаружения цели и измерения дальности до нее.

Сущность группы изобретений заключается в следующем. Единым изобретательским замыслом является упрощение способа измерения дальности и расширение его возможностей при существенном уменьшении объема, сложности и стоимости аппаратурной реализации. Технический результат, получаемый при осуществлении изобретений, выражается в сокращении времени измерения дальности до цели.

Указанный технический результат достигается тем, что согласно изобретению формируют текущий энергетический спектр (ТЭС) выходного сигнала приемника, для чего в числовой последовательности, характеризующей выходной сигнал приемника, числовые отсчеты возводят в квадрат, первый отсчет ТЭС получают путем суммирования первых квадратов числовых отсчетов, количество N которых равно количеству отсчетов, характеризующих длительность отраженного от цели сигнала, для получения последующих отсчетов ТЭС производят последовательную выборку двух квадратов отсчетов, разнесенных на N отсчетов, и получают значения величин отсчетов ТЭС путем вычитания из предшествующего значения величины отсчета ТЭС величины квадрата первого отсчета в выборке и суммированием результата с квадратом второго отсчета в выборке.

Указанный технический результат достигается тем, что согласно изобретению устройство формирования ТЭС выходного сигнала приемника содержит запоминающее устройство (ЗУ), первый и второй умножители, инвертор, первый и второй сумматоры, сумматор-накопитель, при этом вход ЗУ, являющийся входом устройства, соединен с первым и вторым входами первого умножителя, а выход - с первым и вторым входами второго умножителя; выход первого умножителя соединен с первым входом первого сумматора, ко второму входу которого подключен выход сумматора-накопителя; выход второго умножителя через инвертор подключен к первому входу второго сумматора, второй вход которого соединен с выходом первого сумматора, а выход - с входом сумматора-накопителя, выход которого является выходом устройства.

ЗУ выполнено с возможностью последовательного доступа по типу FIFO.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе измерения дальности, при котором принимают с частотой тактов зондирования ограниченный временным стробом приемника сигнал, содержащий отраженный от цели полезный сигнал, шумы и помехи, преобразуют его в цифровую форму, согласно изобретению формируют числовой массив отсчетов, количество которых ограничено длительностью временного строба приемника и частотной характеристикой аналого-цифрового преобразования, формируют ТЭС выходного сигнала приемника, для чего в числовой последовательности, характеризующей выходной сигнал приемника, числовые отсчеты возводят в квадрат, первый отсчет ТЭС получают путем суммирования первых квадратов числовых отсчетов, количество N которых равно количеству отсчетов, характеризующих длительность отраженного от цели сигнала, для получения последующих отсчетов ТЭС производят последовательную выборку двух квадратов отсчетов, разнесенных на N отсчетов, и получают значения величин отсчетов ТЭС путем вычитания из предшествующего значения величины отсчета ТЭС величины квадрата первого отсчета в выборке и суммированием результата с квадратом второго отсчета в выборке; каждое i-ое значение ТЭС сравнивают с максимальным значением из предшествующих его отсчетов, запоминают наибольшее значение отсчета ТЭС и номер соответствующего ему отсчета выходного сигнала приемника, после вычисления последнего (L-N)-ого значения ТЭС и его сравнения с наибольшим значением из предшествующих его отсчетов определяют дальность R до цели по формуле:

,

где t₀ - начало временного строба приемника;

М - номер отсчета выходного сигнала приемника, соответствующий наибольшему по величине отсчету ТЭС;

Δt - интервал дискретизации аналого-цифрового преобразования;

с - скорость распространения радиоволн в свободном пространстве (скорость света).

В заявке единство изобретения соблюдено, т.к. в группе изобретений второе из них предназначено для осуществления первого, а вместе они предназначены для использования в третьем. Причинно-следственные связи между признаками изобретений и техническим результатом выражаются в следующем. На основании известного равенства Парсеваля [3, 4], утверждающего идентичность оценок энергетических отношений в частотной и временной областях, дальность до цели определяют по факту превышения отношения (сигнал + шум)/шум во временной области путем формирования рекуррентного алгоритма вычисления энергии сигнала в каждой позиции последовательности отсчетов, получаемой в результате аналого-цифрового преобразования выходного сигнала приемника. Критерием присутствия полезного сигнала в цифровом стробе является условие

,

где j=1, 2, …, L;

L - длина последовательности отсчетов в числовом стробе.

Величина Энергия[(сигнал + шум), j] равна сумме N квадратов отсчетов цифрового строба, начиная с позиции j. Величина Энергия (шум) определяется суммой N квадратов отсчетов цифрового строба, определяемой в любой позиции при условии отсутствия в ней отраженного сигнала, или задается априори. Поскольку при этом не требуется выполнять операции вычислений циклической свертки с помощью быстрого преобразования Фурье или Хартли, то время определения дальности по сравнению с прототипом существенно уменьшается. Соответственно, значительно сокращается количество используемых элементов цифровых устройств обработки сигналов, что существенно упрощает аппаратуру устройства для осуществления способа и существенно повышает его быстродействие.

Группа изобретений поясняется чертежами, на которых представлены:

фиг.1 - структурная схема устройства формирования ТЭС;

фиг.2 - вид зондирующего сигнала;

фиг.3 - спектр зондирующего сигнала;

фиг.4 - вид принятого сигнала (осциллограмма) в шуме цифрового строба;

фиг.5 - иллюстрация формирования последовательности отсчетов текущего энергетического спектра выходного сигнала приемника;

фиг.6 - текущий энергетический спектр выходного сигнала приемника;

фиг.7 - вид аддитивной суммы «сигнал + шум» в цифровом стробе;

фиг.8 - спектр аддитивной суммы «сигнал + шум»;

фиг.9 - структурная схема устройства для осуществления способа измерения дальности;

фиг.10 - блок-схема алгоритма работы ЦПОС.

Способ формирования ТЭС выходного сигнала приемника заключается в следующем. Известно, что энергия сигнала за интервал времени Т определяется выражением

С использованием равенства Парсеваля выражение (1) можно записать, используя преобразование Фурье временной функции, описывающей сигнал, или используя ее представление в виде ряда Фурье [4].

Представление равенства Парсеваля через спектр функции

представление равенства Парсеваля через коэффициенты ряда Фурье функции

где x(t) - функция, описывающая сигнал;

S[ω] - преобразование Фурье для непрерывно-временной функции x(t),

A_i - коэффициенты ряда Фурье функции x(t).

Правые части выражения (2) и (3) используются для формирования критерия отношений энергий сигнал/шум в классическом многоканальном варианте построения устройства определения дальности. Но из равенства Парсеваля следует и то, что энергию импульсного сигнала во временной области в момент t на интервале его существования Т можно вычислять по формуле:

Используя выражение (4), можно определить ТЭС сигнала x(t) на интервале t₁≤t≥t₂ дискретными значениями функции E_x(iΔt,N), то есть в цифровом виде выражение (1) для ТЭС представляется как:

где E_i - отсчеты текущего энергетического спектра,

x_i - выходные отсчеты АЦП (элементы числового массива)

T₁≤i≥T₂;

T₁=t₁/Δt, T₂=t₂/Δt (символ «/» - целочисленное деление);

Δt - интервал дискретизации аналого-цифрового преобразователя;

N - число отсчетов функции, описывающей сигнал.

Это выражение может быть представлено в простой рекуррентной форме:

где E₀=0, T₁≤i≥T₂.

Как видно из примера, иллюстрируемого диаграммой фиг.5, где x_i - отсчеты сигнала, T₁=1, T₂=L, N=10, последовательность получения сумм, то есть отсчетов ТЭС, представляется следующим образом:

;

;

;

Первый отсчет ТЭС получается прямым суммированием квадратов первых десяти отсчетов L-последовательности. Второй отсчет ТЭС можно получить вычитая из значения 1-го отсчета ТЭС квадрата 1-го отсчета из L-последовательности и прибавлением квадрата 11-го отсчета этой последовательности. Третий отсчет ТЭС можно получить, вычитая из значения 2-го отсчета ТЭС квадрата 2-го отсчета из L-последовательности и прибавлением квадрата 12-го отсчета этой последовательности, и так далее; i-ый отсчет ТЭС можно получить, вычитая из значения (i-1)-го отсчета ТЭС квадрата i-го отсчета из L-последовательности и прибавлением квадрата (N+1)-го отсчета этой последовательности, и т.д. по тому же правилу до вычисления последнего (L-9)-го отсчета.

На фиг.4 приведен числовой массив, состоящий из 4096 отсчетов нормального шума с позиции, соответствующей 2500-ому отсчету. В нем помещена аддитивная смесь сигнала, вид и спектр которого представлены, соответственно, на фиг.2 и фиг.3 с этим шумом. На фиг.6 представлена функция ТЭС для этого массива, имеющая максимум в позиции, соответствующей началу размещения сигнала. Выборка аддитивной смеси сигнала с шумом и ее спектр представлены, соответственно, на фиг.7 и фиг.8. Идентичность максимальных позиций спектров, изображенных на фиг.3 и фиг.8 подтверждает идентичность структур зондирующего и отраженного от цели сигнала, а значит и эффективность применения способа формирования ТЭС.

Таким образом, способ формирования ТЭС выходного сигнала приемника заключается в том, что в числовой последовательности, характеризующей выходной сигнал приемника, числовые отсчеты возводят в квадрат, первый отсчет ТЭС получают путем суммирования первых квадратов числовых отсчетов, количество N которых равно количеству отсчетов, характеризующих длительность отраженного от цели сигнала, для получения последующих отсчетов ТЭС производят последовательную выборку двух квадратов отсчетов, разнесенных на N отсчетов, и получают значения величин отсчетов ТЭС путем вычитания из предшествующего значения величины отсчета ТЭС величины квадрата первого отсчета в выборке и суммированием результата с квадратом второго отсчета в выборке.

Поскольку элементы числового массива могут соответствовать разным физическим процессам, а сам массив может быть разной размерности (вектор, матрица, тензор и т.д.), то способ формирования ТЭС выходного сигнала приемника применим также в системах, использующих в качестве источников информации другие способы получения числовых массивов, иных, чем радиоволны. Например, если имеется числовая матрица, отображающая гладкость поверхности, то с помощью данного способа и соответствующего устройства для его осуществления, задавая различные значения параметра N, можно определить соответствующие этому параметру координаты аномалий в матрице, а следовательно, и на исследуемой поверхности.

Устройство формирования текущего энергетического спектра (фиг.1) содержит запоминающее устройство (ЗУ) 1, первый 2₁ и второй 2₂ умножители, инвертор 3, первый 4₁ и второй 4₂ сумматоры, сумматор-накопитель 5. Вход ЗУ 1, являющийся входом устройства, соединен с первым и вторым входами первого умножителя 2₁, а выход - с первым и вторым входами второго умножителя 2₂. Выход первого умножителя 2₁ соединен с первым входом первого сумматора 4₁, ко второму входу которого подключен выход сумматора-накопителя 5. Выход второго умножителя 2₂ через инвертор 3 подключен к первому входу второго сумматора 4₂, второй вход которого соединен с выходом первого сумматора 4₁, а выход - с первым входом сумматора-накопителя 5, второй вход которого обнулен, а его выход является выходом устройства.

Устройство выполнено на известных элементах цифровой техники. В частности, ЗУ 1 может быть выполнено в виде регистра с последовательно соединенными ячейками памяти и параллельным переносом их содержимого и прямым доступом к первой и последней ячейкам памяти с возможностью последовательного доступа по типу "первый вошел - первый вышел" (FIFO) [5]. Формирователь ТЭС может быть выполнен на ПЛИС типа EP1S10 фирмы ALTERA [6].

Устройство формирования ТЭС работает следующим образом. Числовая последовательность, характеризующая выходной сигнал приемника, поступает на вход ЗУ 1 и на первый и второй входы первого умножителя 2₁. ЗУ 1 имеет регистр из N ячеек памяти, предварительно обнуленных. На каждом шаге, в соответствии с организацией памяти по принципу «первый пришел - первый вышел» (FIFO) в регистре ячеек памяти ЗУ 1 происходит перезапись их содержимого из предыдущей ячейки в последующую ячейку, причем предыдущее содержимое последней N-ой ячейки памяти регистра не сохраняется. Вычисление очередного шага отсчета числового значения ТЭС, как это показано в таблице (например, при N=4), производится за время поступления нового отсчета.

Таблица Шаг 0 0 0 0 0 Е₀=00+00+00+00 Шаг 1 x₁ 0 0 0 E₁=E₀+x_1·x₁-00 Шаг 2 x₂ x₁ 0 0 E₂=E₁+x₂·x₂-00 Шаг 3 x₃ x₂ x₃ 0 E₃=E₂+x₃·x₃-00 Шаг 4 x₄ x₃ x₂ x₁ Е₄=E₃+x₄·x₄-x₁·x₁ Шаг 5 x₅ x₄ x₃ x₂ E₅=Е₄+x₅·x₅-x₂·x₂ Шаг 6 x₆ x₅ x₄ x₃ E₆=E₅+x₆·x₆-x₃·x₃

Для этого, параллельно с поступлением входного числа на первый умножитель 2₁, на первый и второй входы второго умножителя 2₂ поступает число из N-ой ячейки регистра памяти ЗУ 1. Результат умножения с выхода первого умножителя 2₁ поступает на вход первого сумматора 4₁, на второй вход которого поступает числовая величина с выхода сумматора-накопителя 5. Полученный результат, представляющий сумму двух чисел, с выхода первого сумматора 4₁ поступает на первый вход второго сумматора 4₂, на второй вход которого поступает числовая величина с выхода инвертора 3, полученная инвертированием (сменой знака числа) результата, полученного с выхода второго умножителя 2₂. С выхода второго сумматора 4₂ результат суммирования поступает на вход сумматора-накопителя 5, полученное в нем число является выходом сумматора-накопителя 5 и выходом устройства ТЭС, представляя последовательные отсчеты ТЭС.

Способ измерения дальности заключается в следующем. В направлении цели излучают зондирующий сигнал, например, в виде гармонических колебаний (фиг.2). Спектр этого сигнала представлен на фиг.3. С частотой тактов зондирования во временном стробе приемника принимают сигнал x(t), содержащий шумы, возможно помехи, и отраженный от цели полезный сигнал (фиг.4). Принятый сигнал преобразуют в цифровую форму и формируют числовой массив отсчетов x_i, где i=1, 2, …, L (фиг.5). Количество L отсчетов в массиве ограничено длительностью временного строба приемника, а количество N отсчетов ограничено длительностью зондирующего сигнала. Предположим, что в числовом массиве фиг.5 отраженный от цели полезный сигнал позиционируется с отсчета i=2500. Определяют значения ТЭС выходного сигнала приемника, который характеризуется полученным числовым массивом отсчетов. Для этого числовые отсчеты возводят в квадрат, первый отсчет ТЭС получают путем суммирования первых квадратов числовых отсчетов, количество N которых равно количеству отсчетов, характеризующих длительность отраженного от цели сигнала. Для получения последующих отсчетов ТЭС производят последовательную выборку двух квадратов отсчетов, разнесенных на N отсчетов, и получают значения величин отсчетов ТЭС путем вычитания из предшествующего значения величины отсчета ТЭС величины квадрата первого отсчета в выборке и суммированием результата с квадратом второго отсчета в выборке. В силу случайного характера величин отсчетов временного строба приемника x_i, обусловленных шумом аналого-цифрового преобразования, шумом системы, случайными помехами, флуктуациями отраженного от цели сигнала и другими причинами, отсчеты значений ТЭС также имеют случайный характер, численно отображающий степень влияния каждой из перечисленных причин. Для случая отраженного сигнала, находящегося в белом шуме, что наиболее часто встречается на практике, соответствующий числовой массив будет иметь числовую аномалию (за счет сложения энергии отраженного сигнала и энергии шума) в области нахождения отраженного сигнала (фиг.6). Максимальное значение числовой аномалии соответствует максимальному вкладу энергетики отраженного сигнала и тем самым определяет его позицию в числовом массиве. Для определения этой позиции каждое из последовательно полученных значений ТЭС сравнивают с максимальным значением из предшествующих его отсчетов, и если новый отсчет превышает имеющийся максимум, то запоминают его как новое максимальное значение ТЭС и соответствующий ему номер отсчета, в противном случае сохраняют прежнее максимальное значение ТЭС и номер его отсчета по формуле:

где i=2, 3, …, L-N.

Полученное наибольшее значение энергетического спектра МахЕ сравнивают с пороговым значением Epor, в качестве которого может быть взято любое значение энергетического спектра E_i в интервале (М-N<i>М+N), где отсутствует принятый сигнал, или задано априори. При превышении порога, т.е выполнении условия МахЕ-Epor≥S₀, где величина S₀=N/2 соответствует минимальному значению ТЭС отраженного сигнала, судят о наличии полезного сигнала от цели в последовательности отсчетов. Дальность R до цели определяют по формуле

, (8)

где t₀ - начало временного строба приемника;

М - номер отсчета выходного сигнала приемника, соответствующий наибольшему по величине отсчету ТЭС;

Δt - интервал дискретизации аналого-цифрового преобразования;

с - скорость распространения радиоволн в свободном пространстве (скорость света).

Описанный способ измерения дальности может быть осуществлен с помощью устройства (фиг.9), содержащего последовательно включенные аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 6, первое запоминающее устройство (ЗУ) 7, формирователь ТЭС 8 и арифметическое логическое устройство (АЛУ) 9. Входом устройства является вход АЦП 6, который подключен к соответствующему выходу приемника РЛС (на схеме не показано), выходом - выход АЛУ 9. Формирователь ТЭС 8 содержит второе ЗУ 1, первый 2₁ и второй 2₂ умножители, инвертор 3, первый 4₁ и второй 4₂ сумматоры, сумматор-накопитель 5. Вход второго ЗУ 1 соединен с выходом первого ЗУ 7, первым и вторым входами первого умножителя 2₁, а выход - с первым и вторым входами второго умножителя 2₂. Выход первого умножителя 2₁ соединен с первым входом первого сумматора 4₁, ко второму входу которого подключен выход сумматора-накопителя 5. Выход второго умножителя 4₂ через инвертор 3 подключен к первому входу второго сумматора 4₂, второй вход которого соединен с выходом первого сумматора 2₁, а выход - с входом сумматора-накопителя 5, выход которого соединен с входом АЛУ 9. АЛУ 9 выполнено по известным правилам на логических элементах цифровой техники, его структура ясна из блок-схемы алгоритма работы, приведенного на фиг.10.

Описанное устройство для измерения дальности работает следующим образом. На вход АЦП 6 с выхода приемника РЛС поступает аналоговый сигнал х(t), длительность которого ограничена временным стробом приемника - Т. На выходе АЦП 6 формируется последовательность отсчетов x(i·Δt), длиной L=Т/Δt, где «/» - операция целочисленного деления, которая записывается в первое ЗУ 6 в виде числового массива x_i (фиг.5). Со временем, определяемым временем вычисления отсчета ТЭС, на формирователь ТЭС 8 с выхода первого ЗУ 6 отсчеты x_i последовательно поступают на вход второго ЗУ 1, первый и второй входы первого умножителя 2₁. Параллельно на первый и второй входы второго умножителя 2₂ поступает число из N-ой ячейки регистра памяти второго ЗУ 1. Результат умножения с выхода первого умножителя 2₁ поступает на вход первого сумматора 4₁, на его второй вход поступает числовая величина с выхода сумматора-накопителя 5. Полученный результат, представляющий сумму двух чисел, с выхода первого сумматора 2₁ поступает на первый вход второго сумматора 2₂, на второй вход которого поступает числовая величина с выхода инвертора 3, полученная инвертированием (сменой знака числа) результата, полученного с выхода второго умножителя 2₂. С выхода второго сумматора 4₂ результат суммирования поступает на вход сумматора-накопителя 5 и полученное в нем число является выходом сумматора-накопителя и выходом устройства формирования ТЭС 8, представляя собой последовательные отсчеты ТЭС (фиг.6), которые в порядке их вычисления последовательно поступают на вход АЛУ 9. Здесь, согласно алгоритму, приведенному на фиг 10, каждый отсчет из последовательно полученных значений ТЭС сравнивают с максимальным значением из предшествующих его отсчетов и если новый отсчет превышает имеющийся максимум, то запоминают его как новое максимальное значение ТЭС и соответствующий ему номер отсчета. В противном случае сохраняют прежнее максимальное значение ТЭС и номер его отсчета. Полученное наибольшее значение отсчета энергетического спектра МахЕ сравнивают с пороговым значением Epor, в качестве которого может быть взято любое значение энергетического спектра Е, в интервале (М-N<i>М+N), где отсутствует принятый сигнал, или задано априори. При превышении порога, т.е. выполнении условия МахЕ-Epor≥S₀, где величина S₀=N/2 соответствует минимальному значению текущего отсчета энергетического спектра отраженного сигнала, судят о наличии полезного сигнала от цели в последовательности отсчетов. Дальность R до цели определяют по формуле

,

где М - номер отсчета выходного сигнала приемника, соответствующий наибольшему по величине отсчету ТЭС;

Δt - интервал дискретизации аналого-цифрового преобразования;

t₀ - начало временного строба приемника;

с - скорость распространения радиоволн в свободном пространстве (скорость света).

Как видно из блок-схемы алгоритма фиг.10, все технические компоненты, входящие в ее состав, являются цифровыми и составляют номенклатуру типового ЦПОС, например, процессоров типа TMSXXX, ADSPXXX и т.д. Поэтому в целом устройство измерения дальности может быть выполнено на основе одного процессора.

Пример. Пусть L=4096=4N, N=1024=2^r, r=10.

Оценку числа Кс арифметических операций, необходимых для осуществления заявленного способа, можно записать в виде:

Кс=(L-N)(2+2+1+1+1)=18N,

т.е. для вычисления одного отсчета ТЭС необходимо выполнить две операции умножения, две операции сложения, одну операцию вычитания. Для нахождения максимума ТЭС необходимо выполнить одну операцию сравнения и одну операцию присвоения.

Оценку числа Кп арифметических операций, необходимых для реализации прототипа, можно записать в виде:

Кп=(8+3)Кбпф≈550N,

где оценка счета БПФ [1,2] Кбпф=(N/2)r·10.

В прототипе для определения позиции линейных сверток или грубого определения дальности необходимо выполнить вычисление восьми алгоритмов БПФ, а для точного вычисления дальности необходимо вычислить три алгоритма БПФ, соответствующих вычислению алгоритма быстрой циклической свертки.

Приведенные оценки быстродействия показывают, что по этому критерию заявленный способ измерения дальности примерно в 30 раз эффективнее его прототипа. Очевидно и преимущество в технической реализации заявленного решения.

Осуществление изобретений позволяет строить безканальные цифровые приемники электромагнитных волн, в том числе иных, чем радиоволны, различного назначения на основе одного процессора, что обеспечивает не только их существенное упрощение и дешевизну, но и значительное сокращение времени на их разработку, отладку и внедрение.

Источники информации

1. Рабинер Л., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов. М., «МИР», 1978.

2. RU 2264650, G06F 17/14, G01S 13/26, 2005.

3. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов. Учебник для вузов. - Москва, Минск. ПИТЕР, 2003, стр.54-55, 253.

4. Денисенко A.M. Сигналы. Теоретическая радиотехника. Справочное пособие. - М., Горячая линия - Телеком, 2005, стр.28-29.

5. Новожилов О.П. Основы цифровой техники / Учебное пособие. - М.: ИП Радиософт, 2004, стр.322-327.

6. www.Altera.com.

Изобретения могут быть использованы преимущественно в радиолокационных системах для измерения дальности до цели. Достигаемый технический результат - сокращение времени измерения дальности до цели. Способ формирования текущего энергетического спектра (ТЭС) выходного сигнала приемника заключается в том, что в числовой последовательности выходного сигнала приемника числовые отсчеты (ЧО) возводят в квадрат, первый отсчет ТЭС получают путем суммирования первых квадратов ЧО, количество N которых равно количеству ЧО, характеризующих длительность отраженного от цели сигнала. Для получения последующих отсчетов производят последовательную выборку двух квадратов отсчетов, разнесенных на N отсчетов, и получают значения величин отсчетов ТЭС путем вычитания из предшествующего значения величины отсчета ТЭС величины квадрата первого отсчета в выборке и суммированием результата с квадратом второго отсчета в выборке. Предложено также устройство, реализующее способ, выполненное определенным образом. В способе определения дальности принятый сигнал преобразуют в цифровую форму, формируют числовой массив отсчетов, количество которых ограничено длительностью временного строба приемника и частотной характеристикой аналого-цифрового преобразования, формируют ТЭС выходного сигнала приемника, сравнивают с максимальным значением из предшествующих его отсчетов, запоминают наибольшее значение отсчета ТЭС и номер соответствующего ему отсчета выходного сигнала приемника, после вычисления последнего значения ТЭС определяют дальность R до цели по определенной формуле. 3 н. и 1 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Способ формирования текущего энергетического спектра (ТЭС) выходного сигнала приемника, заключающийся в том, что в числовой последовательности, характеризующей выходной сигнал приемника, числовые отсчеты возводят в квадрат, первый отсчет ТЭС получают путем суммирования первых квадратов числовых отсчетов, количество N которых равно количеству отсчетов, характеризующих длительность отраженного от цели сигнала, для получения последующих отсчетов ТЭС производят последовательную выборку двух квадратов отсчетов, разнесенных на N отсчетов, и получают значения величин отсчетов ТЭС путем вычитания из предшествующего значения величины отсчета ТЭС величины квадрата первого отсчета в выборке и суммирования результата с квадратом второго отсчета в выборке.

2. Устройство формирования текущего энергетического спектра (ТЭС) выходного сигнала приемника, характеризующееся тем, что оно содержит запоминающее устройство (ЗУ), первый и второй умножители, инвертор, первый и второй сумматоры, сумматор-накопитель, при этом вход ЗУ, являющийся входом устройства, соединен с первым и вторым входами первого умножителя, а выход - с первым и вторым входами второго умножителя, выход первого умножителя соединен с первым входом первого сумматора, ко второму входу которого подключен выход сумматора-накопителя, выход второго умножителя через инвертор подключен к первому входу второго сумматора, второй вход которого соединен с выходом первого сумматора, а выход - с входом сумматора-накопителя, выход которого является выходом устройства.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что запоминающее устройство выполнено с возможностью последовательного доступа по типу FIFO.

4. Способ измерения дальности, при котором принимают с частотой тактов зондирования ограниченный временным стробом приемника сигнал, содержащий отраженный от цели полезный сигнал, шумы и помехи, преобразуют его в цифровую форму, отличающийся тем, что формируют числовой массив отсчетов, количество которых ограничено длительностью временного строба приемника и частотной характеристикой аналого-цифрового преобразования, формируют текущий энергетический спектр (ТЭС) выходного сигнала приемника, для чего в числовой последовательности, характеризующей выходной сигнал приемника, числовые отсчеты возводят в квадрат, первый отсчет ТЭС получают путем суммирования первых квадратов отсчетов, количество N которых равно количеству отсчетов, характеризующих длительность отраженного от цели сигнала, для получения последующих отсчетов ТЭС производят последовательную выборку двух квадратов отсчетов, разнесенных на N отсчетов, и получают значения величин отсчетов ТЭС путем вычитания из предшествующего значения величины отсчета ТЭС величины квадрата первого отсчета в выборке и суммирования результата с квадратом второго отсчета в выборке, каждое i-e значение ТЭС, где i=1, 2,…, L, L - количество отсчетов, ограниченное длительностью временного строба приемника, сравнивают с максимальным значением из предшествующих его отсчетов, запоминают наибольшее значение отсчета ТЭС и номер соответствующего ему отсчета выходного сигнала приемника, после вычисления последнего (L-N)-го значения ТЭС и его сравнения с наибольшим значением из предшествующих его отсчетов определяют дальность R до цели по формуле

где t₀ - начало временного строба приемника;
M - номер отсчета выходного сигнала приемника, соответствующий наибольшему по величине отсчету ТЭС;
Δt - интервал дискретизации аналого-цифрового преобразования;
c - скорость распространения радиоволн в свободном пространстве (скорость света).