СПОСОБ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ ВО ВРЕМЕННОЙ И ЧАСТОТНОЙ ОБЛАСТЯХ Российский патент 2023 года по МПК G01S13/89 

Изобретение относится к системам обработки радиосигналов в приемо-передающих станциях, излучающих и принимающих отраженные от движущихся воздушных источников гармонические сигналы в режиме фазовой манипуляции по коду Баркера. Каждый период фазовой манипуляции соответствует определенному элементу разрешения дальности. Если в пространственном элементе разрешения находится движущийся источник отраженного сигнала, то в периоде фазовой манипуляции на фоне шума приходит гармонический сигнал с доплеровским сдвигом частоты.

При обработке во временной области [1, с. 189] аналоговый сигнал переводят в цифровой сигнал и формируют дискретную выборку. Логарифм отношения правдоподобия сравнивают с порогом обнаружения и по факту превышения порога фиксируют наличие полезного сигнала. Также при обработке во временной области отраженный сигнал сравнивают в смесителе с опорным сигналом, формируемым генератором частот, и по факту образования биений по амплитуде и фазе фиксируют наличие полезного сигнала.

При обработке в частотной области определяют доплеровские сдвиги частоты (доплеровские частоты) для движущегося источника отражения и путем сравнения амплитуда спектра на доплеровской частоте с порогом обнаружения фиксируют наличие полезного сигнала [2].

Однако при наличии двух и более источников, находящихся в одном пространственном элементе разрешения, возникают ситуации, приводящие к ошибкам обнаружения полезных сигналов в частотной области. Так, если отраженные сигналы от нескольких источников приходят в разные моменты времени, но имеют одинаковую доплеровскую частоту (одинаковую радиальную проекцию вектора скорости), то в частотной области все источники обнаруживаются как один, и алгоритм оценивания в частотной области дает ложные пространственные координаты. При этом возможна и другая ситуация, когда при наличии разных доплеровских частот сигналы приходят в одинаковые моменты времени, и в этом случае оценки, найденные в частотной области, являются правильными.

Рассмотрим в качестве прототипа способ [2], который применим как к нескольким наземным, так и нескольким воздушным источникам отражения. Он сводится к следующим основным операциям в частотной области.

1. Сигналы, принимаемые в элементах антенной решетки (АР), селектируют в нескольких приемных каналах по элементам разрешения дальности.

2. В каждом элементе дальности сигналы преобразуют во временные последовательности, которые подвергают дискретному преобразованию Фурье (ДПФ) в каждом q-м приемном канале ( Q - число приемных каналов по числу элементов АР). В результате образуют Q частотных последовательностей в спектре доплеровских частот.

3. В частотных последовательностях выбирают те частоты, на которых амплитуды спектральных составляющих превышает порог обнаружения полезных сигналов во всех Q каналах.

4. У выделенных в Q каналах спектральных составляющих берут фазы и методом разности фаз находят пространственные координаты источников.

Данный способ обладает недостатком - при наличии двух или более источников, движущихся с одинаковыми радиальными проекциями скоростей и имеющими соответственно одинаковые сдвиги доплеровской частоты способ не обнаруживает точное число источников и дает ложные их пространственные координаты.

Техническое решение направлено на устранение этого недостатка, а именно, на совместную обработку принимаемых сигналов во временной и частотной областях с целью выявления возможных ошибок обнаружения.

Технический результат предлагаемого технического решения достигается применением способа обработки сигналов во временной и частотной областях, который заключается в приеме сигналов в нескольких приемных каналах в элементах разрешения дальности, преобразовании сигналов во временные последовательности, переводе временных последовательностей в частотные последовательности в спектре доплеровских частот, выборе частот, на которых амплитуды спектральных составляющих превышает порог обнаружения во всех приемных каналах, нахождении пространственных координат источников сигналов по разности фаз выбранных спектральных составляющих, отличающийся тем, что в каждом элементе разрешения дальности принимают гармонический сигнал в режиме фазовой манипуляции по коду Баркера, формируют последовательность временных отсчетов сигнала до прихода переотраженных сигналов, подвергают элементы последовательности операциям калмановской фильтрации на основе параболической модели, обнаруживают моменты времени разладки между модельными значениями и текущими элементами последовательности и запоминают число таких моментов времени, после чего временную последовательность подвергают дискретному преобразованию Фурье, в спектре доплеровских частот выбирают частоты, на которых амплитуды спектральных составляющих превышают по амплитуде порог обнаружения полезного сигнала, и методом разности фаз спектральных составляющих на выбранных частотах находят пространственные координаты предполагаемых источников, после чего сравнивают число выбранных частот с числом обнаруженных моментов времени и, если число частот не меньше числа обнаруженных моментов времени, то найденные координаты передают на сопровождение источников, в противном случае принимают решение о наличии в составе найденных координат ложных координат и повторяют все операции для другого элемента разрешения дальности. Алгоритмически способ заключается в следующем.

1. Принимаемый в элементе разрешения дальности аналоговый непрерывный сигнал в q-x приемных каналах переводится в цифровую форму и формируется временная последовательность s_q(t_k), t_k=t₀+(k-1)Δt, Δt - шаг дискретизации, k=1, 2, …, n, на промежутке времени [t₀,t_n], где t_n - момент времени прихода переотраженного сигнала, который обнаруживается по сильному искажению входного сигнала.

2. В процессе формирования временной последовательности амплитуды элементов выборки |s_q(t_k)| сравниваются с порогом обнаружения полезного сигнала, фиксируется и запоминается момент времени t_k1 начала полезного сигнала во всех Q каналах в смеси с шумовым сигналом. Далее обработке подлежит сигнал s_q(t_k)=x_q1(t_k)+p_q(t_k), k=k₁, k₁+1, k₁+2, …, где x_q1(t_k)=A_q1cos(ω₁t_k+ψ_q1) - гармонический сигнал от 1-го источника с амплитудой A_q1, фазой ψ_q1 и общей для всех Q каналов частотой ω₁, зангумленный p_q(t_k).

3. В момент t_k1 включается в работу фильтр Калмана, настроенный на параболическую модель сигнала

верную на малом промежутке [t_k-1,t_k]. Осуществляется сглаживание сигналов s_q(t_k) по параболической модели.

4. Если при фильтрации, начиная с момента t_k, t_k>t_kl, появляется полезный сигнал x_q2(t_k), от второго источника и образуется смесь сигналов s_q(t_k)=x_q1(t_k)+x_q2(t_k)+p_q(t_k), то происходит несоответствие (разладка) параболической модели элементам последовательности одновременно во всех Q каналах в течение нескольких моментов времени. Это несоответствие окончательно фиксируется в момент t_k2 и этот момент времени запоминается.

5. В последующие моменты времени t_k на промежутке [t₀,t_n] операции обнаружения разладки повторяются и устанавливается общее число n₁ зафиксированных моментов времени.

6. После чего сформированные последовательности s_q(t_k), подвергаются дискретному преобразованию Фурье. В результате образуются частотные последовательности s_q (ω_k),

7. Фиксируются частоты ω_k1, ω_k2, …, ω_km2, на которых амплитуды спектральных составляющих |s_q(ω_k)|, превышают порог обнаружения полезного сигнала одновременно в Q каналах. Берутся аргументы спектральных составляющих, которые представляют оценки фаз ψ_qj,

8. Методом разности фаз вычисляются оценки пространственных координат источников M_j, где m₂ - число источников, обнаруженных в частотной области.

9. Если число m₂ частот полезных сигналов, обнаруженных в частотной области, не меньше числа m₁ моментов времени, найденных во временной области: m₂≥m₁, то найденные в частотной области пространственные координаты M_j, передаются на сопровождение источников.

10. Если m₂<m₁, то принимается решение о наличии в составе найденных оценок координат ложных оценок и операции пп. 1-9 повторяются для другого элемента разрешения дальности.

По результатам компьютерного моделирования алгоритма, реализующего предложенный способ, оценка вероятности ошибочных решений при обнаружении и оценивании координат двух источников, движущихся с близкими скоростями, значительно снизилась по сравнению с алгоритмом, реализующим в одинаковых условиях моделирования способ-прототип обработки сигналов в одной частотной области.

Предложенный способ может найти применение в системах пеленгации движущихся воздушных объектов.

Литература

1. Бакулев П.А. Радиолокационные системы. Учебник для вузов. Изд. 3-е, перераб. и доп. М.: Радиотехника, 2015. 440 с.

2. Патент RU 2572357. Способ формирования трехмерного изображения земной поверхности в бортовой четырехканальной доплеровской РЛС / В.К. Клочко. Приоритет 25.11.2014. Опубл. 10.01.16. Бюл. №1.

Изобретение относится к системам обработки радиосигналов в приемо-передающих станциях. В способе обработки сигналов во временной и частотной областях суммарный сигнал, принимаемый в элементе разрешения дальности и принадлежащий одному или нескольким движущимся источникам, вначале обрабатывают во временной области с фиксацией моментов времени прихода составляющих сигнала. Затем в частотной области из спектра сигнала в полосе доплеровских частот выделяют полезные частотные составляющие сигнала, находят оценки их параметров и пространственные координаты источников. После чего число источников, зафиксированных во временной области, сравнивают с числом источников, найденных в частотной области, и выполняют логическое заключение об отсутствии или наличии ошибок обнаружения. Технический результат – снижение ошибок обнаружения числа источников, движущихся с близкими скоростями.

Способ обработки сигналов во временной и частотной областях, заключающийся в приеме сигналов в нескольких приемных каналах в элементах разрешения дальности, преобразовании сигналов во временные последовательности, переводе временных последовательностей в частотные последовательности в спектре доплеровских частот, выборе частот, на которых амплитуды спектральных составляющих превышает порог обнаружения во всех приемных каналах, нахождении пространственных координат источников сигналов по разности фаз выбранных спектральных составляющих, отличающийся тем, что в каждом элементе разрешения дальности принимают гармонический сигнал в режиме фазовой манипуляции по коду Баркера, формируют последовательность временных отсчетов сигнала до прихода переотраженных сигналов, подвергают элементы последовательности операциям калмановской фильтрации на основе параболической модели, обнаруживают моменты времени разладки между модельными значениями и текущими элементами последовательности и запоминают число таких моментов времени, после чего временную последовательность подвергают дискретному преобразованию Фурье, в спектре доплеровских частот выбирают частоты, на которых амплитуды спектральных составляющих превышают по амплитуде порог обнаружения полезного сигнала, и методом разности фаз спектральных составляющих на выбранных частотах находят пространственные координаты предполагаемых источников, после чего сравнивают число выбранных частот с числом обнаруженных моментов времени, и если число частот не меньше числа обнаруженных моментов времени, то найденные координаты передают на сопровождение источников, в противном случае принимают решение о наличии в составе найденных координат ложных координат и повторяют все операции для другого элемента разрешения дальности.