СПОСОБ ЧАСТОТНО-ВРЕМЕННОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ Российский патент 2023 года по МПК G01S13/89 G01S7/41 

Изобретение относится к системам обработки радиосигналов в приемопередающих 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 дальности находятся несколько движущихся источников отражения, то в периоде фазовой манипуляции на фоне шума приходят гармонические сигналы с доплеровскими сдвигами частоты.

При обработке принятых сигналов в частотной области определяют доплеровские сдвиги частоты (доплеровские частоты) движущихся источников отражения и путем сравнения амплитуд спектральных составляющих на доплеровских частотах с порогом обнаружения фиксируют частоты, принадлежащие источникам [1, 2]. При наличии многоканальной обработки находят координаты источников методом разности фаз.

Однако возникают ситуации, приводящие к ошибкам обнаружения источников 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 источники не разрешаются по доплеровской частоте и обнаруживаются как один источник. При этом способ [2] при оценивании координат в частотной области дает ложные пространственные координаты.

Известен способ [3] обработки сигналов, позволяющий обнаруживать момент времени прихода сигнала от источника и определять его координаты во временной области, рассчитанный на наличие сигнала только от одного источника. Принципиально способ [3] позволяет обнаруживать последовательно во времени появление сигналов от нескольких источников и определять их число. Однако не может находить координаты всех источников.

При соединении и улучшении способов [2] и [3] можно добиться обнаружения нескольких источников в элементе разрешения дальности с определением их координат. При этом возможно обнаруживать частоты, на которых источники не различимы по доплеровской частоте, и осуществлять сверхразрешение при наличии двух источников - определять координаты источников, обнаруженных на одной частоте.

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 превышают 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 в одном элементе разрешения дальности, движущихся с одинаковыми радиальными проекциями скоростей и имеющими соответственно одинаковые сдвиги доплеровской частоты, способ не различает источники и дает ложные пространственные координаты.

Техническое решение направлено на устранение этого недостатка, а именно, на совместную частотно-временную обработку принимаемых сигналов с целью обнаружения и определения координат нескольких источников, выявления возможных ошибок обнаружения и сверхразрешение в случае наличия двух источников.

Технический результат предлагаемого технического решения достигается применением способа частотно-временной обработки сигналов, который заключается в приеме сигналов от движущихся источников отражения в элементе разрешения дальности, преобразовании сигналов во временные последовательности в приемных каналах, переводе временных последовательностей в частотные последовательности в спектре доплеровских частот и отличается тем, что принимают гармонические сигналы в режиме фазовой манипуляции по коду Баркера, подвергают последовательности временных отсчетов сигналов операциям фильтрации, вычисляют отклонения последовательностей от отфильтрованных значений и, если отклонения не попадают в доверительные интервалы, то фиксируют моменты времени τ_k появления k-х сигналов от источников (k=1,2,…,m, m - оценка числа источников), затем на каждом k-м образованном промежутке времени [τ_k,τ_k+1) подвергают временную последовательность этого промежутка дискретному преобразованию Фурье и формируют частотные спектры, обнаруживают и запоминают в спектрах частоту ω_k, на которой амплитуды спектральных составляющих превышают заданный порог, и, если при k=2 частота, обнаруженная на втором промежутке [τ₂,τ₃), совпадает с частотой, найденной на первом промежутке [τ₁,τ₂):ω₂=ω₁, то координаты второго источника М₂ вычисляют по формуле М₂=М_Σ - M₁, где М₁ - координаты источника, найденные на первом промежутке, М_∑ - координаты, найденные на втором промежутке по суммарному сигналу, и, если при k≥2 частота ω_k не была обнаружена на предыдущих промежутках, то методом разности фаз на частоте ω_k определяют координаты k-го источника M_k, а если частота ω_k была обнаружена m_k раз (m_k≥1), то принимают решение о наличии m_k+1 источников на частоте ω_k с неизвестными координатами.

Алгоритмически способ заключается в следующем.

1. Принимаемый в элементе разрешения дальности аналоговый непрерывный сигнал в q-x приемных каналах переводится в цифровую форму и формируются временные последовательности у_g(t_i), t_i=t₀+(i-1)Δt, Δt - шаг дискретизации, i=1,2,…,n, на промежутке времени [t₁,t_n].

2. На начальном промежутке времени t_i∈(t₁,τ₁) последовательности {y_q(t_i)} в q-x каналах подаются на вход фильтра нулевого порядка, который выдает сглаженные значения x_q(t_i). Начиная с момента t_M, где М - размер эффективной памяти фильтра, вычисляются отклонения у_q(t_i):

Δy_q(t_i)=y_q(t_i)-x_q(t_i).

Если из N последовательных значений Δy_q(t_i) L раз из N (например, 2 из 3) не попадает в заданный доверительный интервал, то в момент времени τ₁ принимается решение о присутствии сигналов s_q1(t_i-τ₁), t_i≥τ₁, от первого источника с запаздываем τ₁.

3. Осуществляется сглаживание y_q(t_i), на промежутке [τ₁,τ₂) в соответствии с фильтром второго порядка, который выдает сглаженные значения x_q(t_i). В процессе фильтрации вычисляются первые остаточные ряды e_q1(t_i)=y_q(t_i)-x_q(t_i), ti∈[τ₁,τ₂), к которым также применяется логический критерий для обнаружения момента времени τ₂ прихода сигналов s_q2(t_i-τ₂), от второго источника с запаздыванием τ₂.

4. При обнаружении момента τ₂ опять включается в работу фильтр второго порядка. Происходит сглаживание y_q(t_i), на промежутке [τ₂,τ₃) и вычисляются вторые остаточные ряды e_q1(t_i)=y_q(t_i)-x_q(t_i), t_i∈[τ₂,τ₃), к которым применяется логический критерий для обнаружения момента времени τ₃ прихода сигналов s_q3(t_i-τ₃), от третьего источника и т.д. До момента t_n находится оценка числа источников m как число обнаруженных моментов времени τ₁, τ₂, …, τ_m.

5. На каждом k-м образованном промежутке времени [τ_k,τ_k+1), k=1,2,…,m, временные последовательности {y_q(t_i)}, t_i∈[τ_k,τ_k+1), подвергаются дискретному преобразованию Фурье и формируются k-е частотные спектры карт, k=1,2,…,m. Обнаруживается и запоминается в полученных спектрах частота ω_k, на которой амплитуды спектральных составляющих превышают заданный порог во всех q-x каналах.

6. Если при k=2 частота, обнаруженная на втором промежутке [τ₂,τ₁), совпадает с частотой, найденной на первом промежутке [τ₁,τ₂):ω₂=ω₁, то координаты второго источника М₂ вычисляются по формуле М₂=М_Σ-М₁, где М₁ - координаты источника, найденные на первом промежутке [τ₁,τ₂), М_Σ - координаты, найденные по суммарному сигналу на втором промежутке [τ₂,τ₃).

7. Если при k≥2 частота ω_k не была обнаружена в предыдущих спектрах, то методом разности фаз на частоте ω_k определяются координаты k-го источника M_k, а если частота ω_k была обнаружена m_k раз (m_k≥1), то принимается решение о наличии m_k+1 источников на частоте ω_k с неизвестными координатами.

Результаты моделирования

Компьютерное моделирование частотно-временной обработки сигналов осуществлялось в среде Matlab. Приемопередающая станция посылала непрерывный сигнал с фазовой манипуляцией по коду Баркера в сантиметровом диапазоне длин волн. Зондирующий сигнал имел период фазовой манипуляции Т=6,6 нс и N=7 кодовой последовательности вида (+1+1+1-1-1+1-1), что обеспечивало разрешение по дальности ΔR=1 м. В каждом периоде фазовой манипуляции начальная фаза составляла ϕ₀=0 (+1) или ϕ₀=π(^_1). При таких условиях источники сигналов находились в одном элементе разрешения дальности. Принимаемые в приемниках сигналы после декодера и режекторного фильтра переводились на низкую частоту и моделировались с шагом дискретизации Δt=1/(8ƒ_п), где ƒ_п=10 кГц.

Скорость первого объекта выбиралась постоянной величиной ν₁=10 м/с, а второго объекта выбиралась случайным образом на промежутке от 10 до 15 м/с. Объекты наблюдались на дальности R=100 м в пределах ширины круговой диаграммы направленности антенны ±30° (на уровне 0,5 мощности). Количество повторений опыта на множестве реализаций случайного шума при отношении сигнал-шум 30 дБ и среднеквадратическом отклонении (СКО) мультипликативного шума σ_γ=10^-3 в условиях модели сигнала (1) составляло 5000 реализаций.

Шум измерения фазы в каждом канале АР где СКО рассчитывалось в соответствии с [1] как где k=1; q=10³. В таблице показаны результаты моделирования.

В сравнении даны следующие показатели: среднее значение М[ρ] и СКО σ[ρ] случайной величины ρ, имеющей смысл расстояния между моделируемым и найденным положением каждого объекта в метрах и распределенной по закону Максвелла, а также вероятность D правильного нахождения положений двух объектов. Положение считалось найденным правильно, если величина ρ не превышала 1 м. При обнаружении двух сигналов на одной частоте оценки координат первого источника находились во временной области, а оценки координат по суммарному сигналу - в частотной области.

Результаты моделирования в сравнительной оценке (по сравнению с одной частотной обработкой) показывают возможность повышения вероятности правильного оценивания положений всех движущихся источников с 0,76 до 0,91 за счет совместной обработки сигналов во временной и частотной областях. Понижение точности оценок положения объясняется меньшим объемом выборки на отдельных промежутках времени по сравнению с полным объемом выборки.

Способ может найти применение в существующих радиосистемах пеленгации движущихся с близкими скоростями и близко расположенных источников отражения.

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.

3. Патент RU 2792196. Способ измерения угловых координат движущихся объектов доплеровской станцией / В.К. Клочко, В.П. Кузнецов, By Б.Х. Приоритет 27.06.2022. Опубл. 20.03.2023. Бюл. №8.

Изобретение относится к системам обработки радиосигналов в приемопередающих станциях, излучающих и принимающих отраженные от движущихся воздушных источников гармонические сигналы в режиме фазовой манипуляции по коду Баркера. Техническим результатом изобретения является совместная частотно-временная обработка принимаемых сигналов с целью обнаружения и определения координат нескольких источников, выявления возможных ошибок обнаружения и сверхразрешение в случае наличия двух источников. Способ частотно-временной обработки сигналов дополнительно заключается в совместной обработке сигналов, ведется в частотной и временной областях. Во временной области находятся моменты времени прихода сигналов от источников и устанавливается их число на каждом временном промежутке. В частотной области для каждого временного промежутка обнаруживаются частоты, на которых источники различимы и не различимы. Определяются оценки координат различимых источников, а также не различимых при наличии двух источников. 1 табл.

Способ частотно-временной обработки сигналов, заключающийся в приеме сигналов от движущихся источников отражения в элементе разрешения дальности, преобразовании сигналов во временные последовательности в приемных каналах, переводе временных последовательностей в частотные последовательности в спектре доплеровских частот, отличающийся тем, что принимают гармонические сигналы в режиме фазовой манипуляции по коду Баркера, подвергают последовательности временных отсчетов сигналов операциям фильтрации, вычисляют отклонения последовательностей от отфильтрованных значений и, если отклонения не попадают в доверительные интервалы, то фиксируют моменты времени τ_k появления k-х сигналов от источников (k=1,2,…,m, m - оценка числа источников), затем на каждом k-м образованном промежутке времени [τ_k,τ_k+1) подвергают временную последовательность этого промежутка дискретному преобразованию Фурье и формируют частотные спектры, обнаруживают и запоминают в спектрах частоту ω_k, на которой амплитуды спектральных составляющих превышают заданный порог, и, если при k=2 частота, обнаруженная на втором промежутке [τ₂,τ₃), совпадает с частотой, найденной на первом промежутке [τ₁,τ₂): ω₂=ω₁, то координаты второго источника М₂ вычисляют по формуле М₂=М_Σ - М₁, где М₁ - координаты источника, найденные на первом промежутке, М_Σ - координаты, найденные на втором промежутке по суммарному сигналу, и, если при k≥2 частота ω_k не была обнаружена на предыдущих промежутках, то методом разности фаз на частоте ω_k определяют координаты k-го источника M_k, а если частота ω_k была обнаружена m_k раз (m_k≥1), то принимают решение о наличии m_k+1 источников на частоте ω_k с неизвестными координатами.