Устройство формирования весовых коэффициентов в условиях нестационарной помеховой обстановки Советский патент 1993 года по МПК G01S7/36 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано при решении задач радиолокации и радионавигации, обеспечивающих сопровождение движущихся объектов в условиях быстрых изменений помеховой обстановки.

Целью изобретения является повыше- ние устойчивости адаптивного формирования весовых коэффициентов и увеличение быстродействия устройства при работе в условиях нестационарной помеховой обстановки, связанных с включением дополнительных источников помех или изменением их интенсивности.

На фиг, 1 приведена структурная схема устройства формирования весовых коэффициентов в условиях нестационарной помеховой обстановки; на фиг, 2 - структурная схема блока анализа помеховой обстановки.

Описываемое устройство формирования весовых коэффициентов содержит последовательно соединенные генератор

опорного сигнала 1, первый блок вычитания 2, блок формирования матричных коэффициентов передач калмановского фильтра 4, блок суммирования 6, блок задержки 7, блок формирования оценки экстраполяции 8, блок формирования скалярного произведения 5, выход которого соединен со вторым входом первого блока вычитания 2, а выход блока формирования оценок экстраполяции 8 подключен также ко второму входу блока суммирования б, выход первого блока вычитания 2 подключен к первому входу 11 блока анализа помеховой обстановки 3, а его выход 13 ко второму входу блока формирования матричных коэффициентов передачи калмановского фильтра 4, второй выход которого соединен со вторым входом 12 блока анализа помеховой обстановки 3, третий вход блока формирования матричных коэффициентов передачи калмановского фильтра 4 и второй вход блока формирования скалярного произведения 5 соединены между собой и являются входом устройства 9,

ю

выходом устройства является выход 10 блока задержки 7.

Блок анализа помеховой обстановки 3 содержит последовательно соединенные квадратор 14, блок деления 15, М-тактовый блок задержки 16, второй блок вычитания 18, пороговое устройство 19, многоразрядный ключ 20, матричный сумматор 21, выход 13 которого подключен ко второму входу блока формирования матричных коэффициентов передачи калмановского фильтра 4, а также накапливающий сумматор 17, вход которого подключен к выходу блока деления 15, а выход ко второму входу второго блока вычитания 18, постоянное запоминающее устройство 22, первый выход которого подключен ко второму входу порогового устройства 19, второй выход ко второму входу многоразрядного ключа 20, третий выход ко второму входу матричного сумматора 21, вход 11 квадратора подключен к выходу, первого блока вычитания 2, второй вход 12 блока деления подключен ко второму выходу блока формирования матричных коэффи- циентов передачи калмановского фильтра 4.

Рассмотрим функционирование устройства формирования весовых коэффициентов в условиях нестационарных помех.

Уравнение состояния, отражающее динамические характеристики оптимального вектора весовых коэффициентов антенной решетки

WonT(k + 1) Ф(к + 1 /k)WonT(k) + f(k) + 0(m)5(k + 1,m),

x(k) - вектор отсчетов xi(k) сигнала с выходов антенных элементов решетки.

Оптимальная оценка вектора весовых коэффициентов решетки по критерию мини- мума среднеквадратической ошибки в соответствии с результатами теории калма- новской фильтрации при в(т) 0 определяется соотношением:

W0m(k/k) WonT(k/k-1) + K(k)z(k), (3)

в котором

АА

Wom(k/k-1) - cD(K/k-1)Wotn{k-1 (4)

оценка экстраполяции,

Л z(k)d(k)-xT(k)W(k/k-1

обновляющий процесс,

K(k)P(k/k-1)x(k)/f7z2(kX

(5)

(6)

матричный .коэффициент усиления. Входящая в выражение (6) ковариационная матрица оценки экстраполяции P(k/k-1) задается соотношением

P(k/k-1) O(k/k-1)P(k-1 /k-1) OT(k/k-1)+Q(k),

rf ковариационная матрица оценки весового вектора P(k/k) P(k/k-1) - P() xr(k)P(k/k-1) x xo-z-2(k),(8)

P(o/o) P6 дисперсия обновляющего процесса.

Использование: обеспечение сопровождения движущихся объектов в условиях быстрых изменений помеховой обстановки. Сущность: содержит генератор опорного сигнала (1), блок (2) вычитания, блок (3) анализа помеховой обстановки, блок (4) формирования матричных коэффициентов передачи калмановского фильтра, блок (5) формирования скалярного произведения, блок (6) суммирования, блок задержки (7), блок (8) формирования оценки экстраполяции, что позволяет повысить устойчивость адаптивного формирования весовых коэффициентов, 1 з.п. ф-лы, 4 ил,

Wom(O) Wo,

(1)

где ФДк+1 /k) - переходная матрица состояния, Ј (k) - вектор белого шума с нулевым средним и ковариационной матрицей, Е{ 1 (Ю Јт 0)} - Q(k) 5 (k,j), б (k,j) - символ Кронекера, включает также случайный вектор в (т), определяющий характер измерения обстановки,

Уравнение наблюдения определим установив соответствие между отсчетами опорного сигнала d(k) и значением выходного сигнала антенной решетки хт (k)Wonr(k)

d(k) xT(k)WonT(k) + v(k).

(2)

где - знак транспонирования, v(k) - белый гауссовский шум с нулевым средним и дисперсией E{v(k)v(j)} rrv2 5 (k,}) характеризует погрешности аппроксимации опорного сигнала,

40

rz2(k) - xT(k)P(k/k-1)x(k) + crz2(k) (9)

Процедура адаптации, описываемая выражениями (3)-(9) при стационарной помеховой обстановке в (т) 0«обеспечивает минимальные флюктуации оценки весового

вектора, однако обладает плохой устойчивостью в случае несоответствии реальной и принятой модельной зависимости Wont от времени. Последнее обусловлено в первую очередь скачкообразными изменениями помеховой обстановки. Обнаружение скачка оптимального вектора весовых коэффициентов в устройстве осуществляется на основе анализа статистических характеристик обновляющего процесса z(k). В стационарнрм режиме обновляющий процесс z(k) в согласованном с моделью фильтре представляет собой белый гауссовский шум с нулевым средним и дисперсией, определяемой (9).

нулевым средним и дисперсией, определяемой (9). .

Ес.ли вектор Woni(k) претерпевает скачок, то статистические характеристики процесса z(k) изменяются. Наиболее простой метод обнаружения скачка состоит в формировании статистики вида

l(k)I z2(k)0z2(k), (10)

: J К -М +1

имеющий распределение типа#- квадрат с М степенями свободы. При этом решающее правило приобретает вид

ft ( i J 1о - стационарная поме- ховая обстановка t(k)lo - скачок..(111

где lo - значение порога.

Качественные характеристики такого правила обнаружения рассчитываются известным способом, используя таблицы %- квадрат распределения..

Для предотвращения.потери устойчивости и ускорения переднего процесса после обнаружения скачка необходимо увеличить чувствительность устройства к вновь поступающей информации и расширить его полосу пропускания. ..

Для этого преднамеренно увеличиваются диагональные элементы ковариационной матрицы возмущающего процесса

Q(k)-Q(k) + yi ,

(12): . ной статистики Ј(k)

где у 1,1 - единичная матрица.

Исходя из (3)-(12): устройство функционирует следующим образом. На первый вход первого блока выч итания 2 поступает отсчет опорного сигнала d(k), на вычитающий вход в виде параллельного двоичного кода поступает .оценка выходного сигнала антенной решетки, сформированного в результате умножения оценки вектора весо :.. , :. : . . : вых кoэффициeнтoвW(k-1/k-1) с выхода

блока задержки 7 на матрицу Ф (k/k-1) в. блоке формирования оценки экстраполяции 8 и на вектор отсчетов выходных сигналов антенных элементов x(k) в блоке формирования скалярного произведе.ния 5. Отсчет обновляющего процесса z(k).(5) поступает на входы блока анализа помеховой обстановки 3 и блока формирования-матричных коэффициентов передачи калмановского фильтра.4. В .блоке формирования матричных коэффициентов передачи калмановского фильтра 4 осуществляется формирование матричного коэффициента усиления K(k) в соответствии . с (6)-(9), расчетного значения дисперсии обновляющего процесса f/z (k)(9), и произведения компонентов вектора К(к) на значения отсчета z(k). В блоке суммирования 6 суммируются значения оценки экстраполяции 5 O(k/k-1)W0nT(k-1 /к-Т) с выхода блока форми- рования оценки экстраполяции 8 и произведения k(k)z(k) и формируется оптимальный вектор весовых коэффициентов .который через время Т поступает на выход

0 10 блока задержки 7.

Оценка помеховой обстановки (обнаружение скачка вектора весовых коэффициентов) и формирование корреляционной матрицы возмущающего процесса Q осуще5 ствляется в блоке анализа помеховой обстановки 3.: .....

Отсчет обновляющего процесса z(k) поступает на вход 11 квадратора 14 и затем на вход делимого блока деления 15. На вход

0 делителя 12 блока деления 15 поступает . значение дисперсии обновляющего процесса 7Z2, сформированное в блоке формирования матричных коэффициентов передачи :калмановского фильтра. С выхода блока де5 15 значение частного z (k)/ oz (k) поступает на накапливающий сумматор 17 и. затем на второй вход второго блока вычитания 18. Это же значение частного через М-тактовый блок задержки 16 с. запаздыва.0 нием на М тактов поступает на вычитающий вход второго блока вычитания 18, на выходе которого формируется значение достаточь

z2(k) (k), посту. ной статистики Ј(k)

5

j -К -М + 1

лающее на первый вход порогового устройства 19. На второй вход порогового устройства 19 поступает значение порога 0 из постоянного запоминающего устройства

п (ПЗУ) 22. В том случае, если значение достаточной статистики (k) больше значения порога 10, на выходе порогового-устройства 19 формируется разрешающий потенциал, подступающий на первый вход м-ногоразрядно,- го ключа 20 и .на .его выход передаются

. значения элементов матрицы jl из ПЗУ22 со

второго выхода, поступающее на второй

вход многоразрядного ключа 20. В матрич. ном сумматоре 21 производится поэлеменп тное суммирование матрицы jl и матрицы (k), поступающей на второй вход матричного сумматора.21 с третьего выхода ПЗУ 22. В случае, если значение достаточной статистики -tf-k) меньше значения порога

е 1о, запрещающий потенциал с порогового устройства 19 запирает многоразрядный ключ 20 и элементы матрицы, поступающие ; на первый вход матричного сумматора 21, пр иобретают нулевью значения, и значения элементов матрицы Q(k) на выходе матрич-.

ного сумматора 21 равны значениям элементов матрицы Q(k).

Блок формирования матричных коэффициентов передачи калмановского фильтра 4 представляет собой специализированный вычислительный блок, осуществляющий формирование матричного коэффициента усиления K(k) в соответствии с (6)-(9), вычисление значения дисперсии обновляющего процесса Oz2(k) в соответствии с (9), а также произведения компонентов вектора K(k) на значения отсчета z(k).

На фиг. 3 представлена структурная схема блока формирования оценки экстраполяции 8. Он осуществляет перемножение оценки вектора весовых коэффициентов W(k-1/k-1) с выхода блока задержки 7 на матрицу O(k/k-1) и. представляет собой N блоков формирования скалярного произведения 23, на первые входы которых подаются значения элементов матрицы CD(k/k-1), a на вторые входьмэтсчеты вектора весовых коэффициентов W(k-1/k-1). .

На фиг. 4 представлена структурная схема блока формирования скалярного произведения 5. Он осуществляет пере- множение.значений весовых коэффициен. . тов W(k/k-T), полученных на выходе б,лока

оценки экстраполяции 8, на вектор отсчетов выходных сигналов антенных элементов x(k) в соответствии с (5),, Блок представляет собой N перемножителей 24; на первые входы которых подаются отсчеты выходных сигналов антенных элементов x(k), на вторые вхо- д-ы значения весовых коэффициентов W(k/k-1), а также сумматор 25, где суммируются сигналы с выходов перемножителей.

Таким образом, в случае скачкообразного изменения помеховой обстановки блок анализа помеховой обстановки 3 позволяет обнаружить изменения в динамике и расширить полосу пропускания калмановского фильтра, что повышает устойчивость и быстродействие устройства формирования весовых коэффициентов в целом. Формула изобретения 1. Устройство формирования весовых коэффициентов в условиях нестационарной помеховой обстановки, содержащее последовательно соединенные генератор опорногр сигнала, первый блок вычитания,

блок формирования матричных коэффици-.

ентов передачи калмановского фильтра

(БФМКПКФ), блок суммирования, блок за- держки, блок формирования скалярного произведения, выход которого соединен с вторым .входом перво.го блока вычитания, выход блока формирований оценок экстраполя.ции подключен также к второму входу блока суммирования, о т.л имеющееся

тем, что, с целью повышения устойчивости адаптивного формирования весовых коэффициентов при одновременном увеличении; быстродействия при работе в условиях нестационарной помеховой обстановки, введен блок анализа помеховой обстановки, причем выход блока вычитания подключен к первому входу блока анализа помеховой об- становки, выход которого соединен с вто- рым входом БФМКПКФ, второй выход которого соединен с вторым входом блока анализа помеховой обстановки, третий вход БФМКПКФ и второй вход.блока формиро- вания скалярного произведения соединены между собой и являются входом устройства, выход линии задержки является выходом устройства.

2, Устройство формирования весовых коэффициентов по п. Т, отличающееся

тем, что блок анализа помбховой обстановки содержит последовательно соединенные квадратор, блок деления, М-тактовый блок задержки, блок вычитания, пороговый блок,

многоразрядный ключ, матричный сумма-.

тор( выход.которого является1 выходом Влока анализа помеховой обстановки, а также

накапливающий сумматор, вход которого

подключен к выходу блока деления, а выход - к второму входу блока вычитания, постоянный запоминающий блок, первый :выход которого подключен к второму входу порогового блока, второй выход - к второму входу многоразрядного ключа, третий выход - к второму входу матричного сумматора, при этом вход квадратора является первым входом блока анализа помеховой обстановки, .второй вход блока деления является вторым входом блока анализа помеховой обстановки.

fxefa