Способ цифровой обработки сложных широкополосных локационных сигналов Российский патент 2024 года по МПК H04B1/00 

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в радиотехнических средствах для решения задач обработки локационной информации при обнаружении цели, определении ее координат и параметров движения.

Известны многочисленные решения, предназначенные для обработки локационной информации, алгоритмическое построение которых состоит из совокупности логических и арифметических операций. Некоторые из них позволяют:

- измерить плотность распределения вероятностей (ПРВ) мгновенных значений информативного параметра сигнала, известного точно, на выходе линейной части приемника, измерить ПРВ сигнальной смеси полезного сигнала, шума и помехи на выходе линейной части приемника, вычислить свертку ПРВ информативного параметра сигнала, известного точно, с ПРВ аддитивной смеси сигнала, шума и помехи, сравнить результат данной свертки с порогом в соответствии с критерием оптимального приема для принятия решения о наличии известного сигнала во входной смеси [1];

- достигнуть улучшенной разрешающей способности за счет того, что в способе формирования и обработки сигналов в многодиапазонных и многополосных радиолокационных системах формируют исходный широкополосный сигнал и раскладывают его на N гармоник, используя преобразование Фурье, после переноса сигналов на высокую частоту проводят излучение на разных несущих частотах, их прием, запись и амплитудную и фазовую коррекцию с последующим восстановлением исходного широкополосного сигнала, используя обратное преобразование Фурье [2];

- пеленговать источник сигнала с помощью способа, основанного на вычислении пространственного и комплексно-сопряженного пространственного спектров Фурье обнаруженного сигнала, принятого элементами первой и дополнительной второй линейными эквидистантными антенными решетками, расположенными перпендикулярно относительно друг друга, преобразование масштабов данных спектров по логарифмическому закону с последующим корреляционным анализом и оценкой угловой координаты (пеленга) источника сигнала [3];

- увеличить пропускную способность канала связи, через компенсацию доплеровского сдвига широкополосного сигнала при локации подвижных объектов, обеспечивая возможность определения, помимо угловых координат, дальности до объекта [4].

Однако вышеописанные решения не позволяют обеспечить требуемую и контролируемую точность обработки локационной сигналов в реальном масштабе времени, поскольку в них отсутствует необходимая параметрическая модель, учитывающая метрологические особенности измерительной информации, что приводит к увеличению погрешности обработки, к снижению ее достоверности и к росту временных и емкостных затрат.

Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является способ обработки широкополосных сигналов с гиперболической частотной модуляцией (ГЧМ) [5], предназначенный для решения задач обнаружения цели и определения ее координат и параметров движения. Данный способ описывает процесс вычисления взаимно-корреляционной функции (ВКФ) опорного и отраженного сигналов с гиперболической частотной модуляцией через вычисление обратного преобразования Фурье результата произведения их спектров. При этом в начальный момент времени обработки локационной информации в качестве опорного сигнала для вычисления ВКФ используется зондирующий сигнал без учета влияния канала распространения (эталонный сигнал), а в последующие моменты времени - зондирующие сигналы с учетом этого канала. Однако, указанный способ также, не учитывает метрологические особенности измерительной информации и не позволяет контролировать точность обработки в реальном масштабе времени.

Цель изобретения - обработка сложных широкополосных локационных сигналов, учитывающая метрологические особенности измерительной информации в радиотехнических средствах, в реальном масштабе времени.

Задачей изобретения является устранение избыточной/недостаточной точности при цифровой обработке сложных широкополосных локационных сигналов в реальном масштабе времени с учетом влияния внешней среды.

Технический результат, обеспечивающий достижение цели и решение поставленной задачи, предполагает расширение используемой математической модели локационного сигнала за счет использования метрологического образа измерительной информации, и расширения алгоритма ее обработки посредством использования дополнительных алгоритмов числовых моделей предфрактальной формы [6], выполнения арифметических операций над числовой информацией в полиномиальном формате [7] и обработки числовой информацией в полиномиальном формате [8], которые реализуются соответствующими программными средствами.

Под метрологическим образом измерительной информации понимается значение чувствительности источника информации и ошибки округления числовой информации, выраженные через значение шага (значение бита на последнем месте) текущей кодовой последовательности. Источником информации является совокупность антенного и приемного устройств радиотехнического средства

Применение метрологического образа измерительной информации и указанных выше алгоритмов отличает предложенный способ цифровой обработки сложных широкополосных локационных сигналов от прототипа.

Технический результат достигается тем, что у способа обработки сложного широкополосного сигнала [5], основанного на вычислении ВКФ опорного сигнала, учитывающего искажающее влияние канала распространения, сформированного в процессе излучения и записанного в транспонирующее устройство, с отраженным сигналом в виде произведения спектров отраженного и комплексно-сопряженного опорного сигналов и обратного быстрого преобразования Фурье, заменяется математическая модель опорного сигнала на модель вида (1), которая представляет структуру сигнала через связанные параметры учитывающие значение шага а формирование и преобразование опорного сигнала, учитывающего искажающее влияние канала распространения, и отраженного сигнала во временной и частотной областях осуществляется в полиномиальном формате. При этом алгоритмическое построение, обеспечивающее преобразование из временной в частотную область указанных сигналов с последующим перемножением комплексно-сопряженного спектра опорного сигнала и спектра отраженного сигнала и обратное преобразование Фурье, заменяется на алгоритмическое построение указанных действий с использованием механизма, реализованного в [7, 8], учитывающего и сохраняющего в процессе обработки сигналов метрологический образ измерительной информации и целочисленное представление семантически связанных пар с которыми выполняются все логические, арифметические и тригонометрические операции.

где: s - значение дискретного сигнала в n-й отсчет времени; n - порядковый номер отсчета; - системообразующие параметры числовой модели в n-й отсчет времени; - параметр, который описывает дробную часть преобразованной дискретной величины:

i - количество бит, - значение бита параметра для i-го разряда.

Модель вида (1) представляет собой обобщенную аналитическую модель цифрового локационного сигнала в полиномиальном формате.

Краткое описание чертежей:

фиг. 1 иллюстрирует общий алгоритм обработки сигналов в полиномиальном формате;

фиг. 2 иллюстрирует графическое представление ГЧМ сигнала при отсутствии нормирующего множителя без мнимой части в классическом представлении;

фиг. 3 иллюстрирует графическое представление ГЧМ сигнала при нормирующем множителе равном без мнимой части в классическом представлении;

фиг. 4 иллюстрирует графическое представление отраженного ГЧМ сигнала при отсутствии нормирующего множителя (а) и при его наличии (б) (равному ) во время его обработки предложенным способом;

фиг. 5 иллюстрирует графическое представление ВКФ принятого ГЧМ-сигнала (а) и его квадрат-модуля (б) в виде совокупности параметров при δ_п=2^-2.

Обработка принятого сложного широкополосного локационного сигнала предложенным способом (фиг. 1) начинается с преобразования его в числовую информацию полиномиального формата с последующей интерпретацией ее в виде функционально-связанных пар Для этого используется алгоритм, программного средства [6]. Обобщенная аналитическая модель цифрового локационного сигнала в полиномиальном формате имеет вид (1), а модель сложного широкополосного локационного сигнала, в качестве которого здесь и далее будем рассматривать ГЧМ сигнал, - вид (3).

где: множитель {Ф(t-t_н)-Ф(t-t_к)}=rect(t) - оконная функция (функцией включения), которая соответствует функции Хэвисайда (rect(t)=Ф(ƒ)), вырезающей сигнал на интервале времени от t_н до t_к:

t_н - время начала сигнала, определяемое выражением (5):

Fm - значение гиперболической (Меллиновской) частоты сигнала (6):

Fw - верхняя частота Фурье;

Fn - нижняя частота Фурье;

Wn - количество волн гиперболического сигнала - представляет собой фундаментальный параметр, обладающий свойствами инвариантности относительно преобразования сдвига и доплеровского преобразования одновременно;

t_k - время окончания сигнала, определяемое выражением:

- множитель, характеризующий степень спада спектральной характеристики ГЧМ сигнала, изменится и примет вид (8):

где: δ_п - текущая ошибка округления числовой информации, выраженная через значение бита на последнем месте и соответствующая выражению (9):

Фиг. 2-4 графически демонстрируют отличия моделей классических ГЧМ сигналов, описываемых выражением (3), и сигналов в предлагаемом полиноминальном формате, описываемых выражением 8. Результаты получены с использованием программы Matlab.

После преобразования сложного широкополосного локационного сигнала в числовую информацию в виде вычисляется ВКФ (фиг. 5) и формируется новый опорный сигнал, который учитывает влияние канала распространения и опирается на метрологический образ измерительной информации (δ_п).

Необходимо подчеркнуть, что в первый момент времени вычисление ВКФ отраженного сигнала с опорным сигналом и квадрата ее модуля осуществляется без учета влияния канала распространения, т.е. с сигналом, описываемым выражением (8). Выражение 10 описывает данный процесс.

где: - взаимно-корреляционная функция в полиномиальном формате;

- спектр отраженного сигнала с задержкой τ в полиномиальном формате;

- комплексно-сопряженный спектр зондирующего (эталонного\опорного) сигнала в полиномиальном формате.

При этом процесс формирования спектра для ГЧМ сигнала в полиномиальном формате описывается выражением (11):

где: с - дискретная нормированная частота, соответствующая произведению поворачивающего коэффициента в полиномиальной форме и модели сигнала (8);

- поворачивающий коэффициент в полиномиальном формате:

Обратное преобразование Фурье также выполняется в полиномиальном формате:

Необходимо отметить, что все операции (логические, арифметические и тригонометрические), необходимые для обработки сложного широкополосного сигнала предложенным способом осуществляются, с помощью алгоритма программного средства [7] с функционально-связанными парами

ВКФ отражает задержку во времени принятого сигнала относительно опорного. Последующая компенсация данной задержки в отраженном от цели сигнале, позволяет получить информацию об искажениях сигнала, вызванных каналом распространения (в том числе передаточную характеристику) и запустить процесс, формирования нового опорного сигнала с учетом его влияния. При последующем приеме сигнала происходит вычисление ВКФ в виде произведения спектров отраженного и комплексно-сопряженного нового опорного сигналов и обратного быстрого преобразования Фурье.

Используя алгоритм программного средства [8], способ цифровой обработки сложных широкополосных локационных сигналов реализует обратную связь, которая на основе результатов анализа энергии сигнала, энергии шума, параметра «отношение сигнал/шум» после вычисления ВКФ с помощью параметра δ_п перестраивает распределение вычислительных ресурсов радиотехнических систем. Таким образом, предложенный способ позволяет учесть влияние внешней среды и устранить влияние избыточной/недостаточной точности в реальном масштабе времени.

Наличие метрологического образа измерительной информации в математической модели локационного сигнала, представленной в виде числовой информации в предфрактальной форме двумя неразрывно-связанными параметрами и использование алгоритмов: числовых моделей предфрактальной формы [6], выполнения арифметических операций над числовой информацией в полиномиальном формате [7] и обработки числовой информацией в полиномиальном формате [8], реализованных соответствующими программными средствами, позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения критерию «существенные отличия».

Использование способа цифровой обработки сложных широкополосных локационных сигналов в радиотехнических средствах ранее не производилось. Это позволяет утверждать, что заявленный способ удовлетворяет критерию «изобретение» и может быть реализован сравнительно быстро и без существенных финансовых затрат. Кроме того, реализация предлагаемого способа возможна на отечественной элементной базе.

Библиографические данные

1. Патент на изобретение №2723441 от 21.09.2018 г. «Способ согласованной нелинейной корреляционно-вероятностной фильтрации сигналов и устройство для его реализации» \ Панычев С.Н., Самоцвет Н.А., Шит А.Ф., Самоцвет Д.А., Заявка: №2018133558 от 21.09.2018 г.

2. Патент на изобретение №2684896 от 04.06.2018 г. «Способ формирования и обработки сигналов в многодиапазонных и многополосных радиолокационных системах» Лялин К.С., Мелешин Ю.М., Хасанов М.С., Орешкин В.И., Заявка: 2018120478, 04.06. 2018 г.

3. Патент на изобретение №2192651 от 02.07.1998 г. «Способ пеленгования источника сигнала» Тынянкин С.И., Апульцына И.В., Бурцев С.Ю., Заявка: 98113047/09 от 02.07.1998 г.

4. Патент на изобретение №2284656 от 17.05.2004 г. «Способ обработки сигнала» Атнашев А.Б., Атнашев В.Б., Атнашев Д.А., Атнашев П.В., Заявка: 2004115374/09 от 17.05.2004 г.

5. Патент на изобретение №2711420 от 17.01.2020 г. «Способ обработки сигналов с гиперболической частотной модуляцией» Лушанкин В.И., Бескин Д.А., Котляров К.С., заявка №2018138434 от 30.10.2018 г.

6. Свидетельство о государственной регистрации №2019662032 Программа формирования и исследования числовых моделей пред-фрактальной формы / Слюсаренко А.С., Ушаков А.О., Грехов С.Э.; заявка №2019619797 от 02.08.19 г.; опубл. 16.09.19 г.

7. Свидетельство о государственной регистрации №2019662207 Программный модуль для выполнения арифметических операций на числовой информации в полиномиальном формате / Ушаков А.О., Слюсаренко А.С., Грехов С.Э.; заявка №2019661028 от 09.09.19 г.; опубл. 19.09.19 г.

8. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2020664426 от 12.11.20 г. Программа, реализующая алгоритм обработки радиолокационной информации в полиномиальном формате / Ушаков А.О., заявка: №2020663470 от 02.11.2020 г.; опубл. 12.11.2020 г.

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в радиотехнических средствах для решения задач обработки локационной информации при обнаружении цели, определении ее координат и параметров движения. Технический результат – снижение уровня погрешностей, временных и емкостных затрат на обработку информации, повышая ее достоверность. Для этого обработка широкополосного локационного сигнала осуществляется после его преобразования в полиноминальный формат в виде функционально связанных пар и заключается в вычислении взаимно-корреляционной функции преобразованного сигнала с опорным сигналом также в полиноминальном формате с последующим определением передаточной функции канала распространения сигнала и формированием нового опорного сигнала, который учитывает влияние канала распространения. 5 ил.

Способ цифровой обработки широкополосных локационных сигналов, основанный на вычислении взаимно-корреляционной функции (ВКФ) опорного сигнала, учитывающего искажающее влияние канала распространения, сформированного в процессе излучения и записанного в транспонирующее устройство, с отраженным сигналом в виде произведения их спектров и обратного быстрого преобразования Фурье, отличающийся тем, что обработка принятого широкополосного локационного сигнала начинается с преобразования его в числовую информацию полиномиального формата с последующей интеграцией ее в виде функционально-связанных пар (k, l), полученный опорный сигнал, учитывающий искажающее влияние канала распространения, и отраженный сигнал во временной и частотной областях преобразуют в полиномиальный формат в виде семантически связанных пар (k(n), l(n)) для создания аналитической модели цифрового локационного сигнала, где (k(n),l(n)) – системообразующие параметры модели в n-й отсчет времени, где n – порядковый номер, после преобразования широкополосного локационного сигнала в числовую информацию вычисляется ВКФ и формируется новый опорный сигнал, который учитывает влияние канала распространения и ошибки округления числовой информации, выраженные через значение шага ulp текущей кодовой последовательности (δ_П) в аналитической модели цифрового локационного сигнала в полиномиальном формате, причем ВКФ отражает задержку во времени принятого сигнала относительно опорного, последующая компенсация данной задержки в отраженном от цели сигнале позволяет получить информацию об искажениях сигнала, вызванных каналом распространения, и запустить процесс формирования нового опорного сигнала с учетом его влияния, а при последующем приеме сигнала происходит вычисление ВКФ в виде произведения спектров отраженного и комплексно-сопряженного нового опорного сигналов и обратного быстрого преобразования Фурье, тем самым реализуется обратная связь, которая на основе результатов анализа энергии сигнала, энергии шума, параметра «отношение сигнал/шум» после вычисления ВКФ с помощью параметра ошибки округления числовой информации, выраженной через значение шага ulp текущей кодовой последовательности (δ_П), перестраивает распределение вычислительных ресурсов радиотехнических систем.