Пространственно-временной дискриминатор
Изобретение относится к аналоговой вычислительной технике и может быть использовано в устройствах обработки. Техническим результатом является повышение точности определения оценки рассогласования между текущим и опорным значением измеряемых параметров. Дискриминатор содержит антенную решетку, N - 1 антенных решеток и шесть идентичных каналов. Каждый канал включает N идентичных блоков пространственно-временной обработки и один сумматор канала. Каждый блок пространственно-временной обработки состоит из четырех перемножителей коррелятора, блока опорных сигналов с шестью входами и четырьмя выходами, четырех пространственных интеграторов, четырех временных интеграторов, девяти перемножителей сигнала, пяти сумматоров, устройства извлечения квадратного корня, первого функционального преобразователя, второго функционального преобразователя и трехвходового перемножителя. 5 ил.
Изобретение относится к аналоговой вычислительной технике и может быть использовано в устройствах обработки сигналов.
При ранении задач фильтрации могут использоваться сглаживающие фильтры [1,2] , в состав которых входят временные, амплитудно-частотные, оптимальные угловые или другие дискриминаторы для определения оценки рассогласований между текущим и опорным значениями измеряемого параметра сигнала. Наиболее близким к рассматриваемому устройству является одномерный оптимальный угловой дискриминатор [1], содержащий антенную решетку, вычитающее устройство, фазовращатель на /2, приемник измерительного сигнала) передатчик, антенный переключатель, приемник опорного сигнала, автоматический регулятор усиления, синхронный детектор и входящий в следящий измеритель направления (СИН). СИН определяет текущие угловые координаты объекта путем непрерывного отслеживания направления прихода волны опорным направлением антенны. В режиме слежения измеритель отслеживает лишь плавные, закономерные изменения угловых координат, а случайные возмущения подавляются: при этом положение опорного направления становится оценкой направления на объект. Поскольку угловых координаты две, используют два контура слежения, которые почти всегда независимы. Однако в данном устройстве при приеме сигналов с флуктуацией фазы, обусловленной турбулентностью атмосферы, возникают большие погрешности в определении оценки рассогласований между текущим и опорным значениями измеряемых параметров. Таким образом, недостатком данного устройства является невысокая точность определения оценки рассогласований между текущим и опорным значениями измеряемого параметра сигнала из-за флуктуаций фазы, обусловленных турбулентностью атмосферы. Так как при наличии данных флуктуаций увеличивается вероятность пропуска сигнала, а следовательно и общая вероятность ошибки [3] . Задача, решаемая заявляемым устройством, - повышение точности определения оценки рассогласования между текущим и опорным значениями измеряемых параметров при флуктуации фазы, обусловленной турбулентностью атмосферы. Предлагается пространственно-временной дискриминатор (ПВД), содержащий антенную решетку. В отличие от прототипа в него дополнительно введено N-1 антенных решеток и шесть идентичных каналов ПВД. Каждый канал включает N идентичных блоков пространственно-временной обработки (ПВО) и один сумматор канала. Каждый блок ПВО состоит из четырех перемножителей коррелятора, первые входы которых соединены с выходом соответствующей антенны, блока опорных сигналов с шестью входами и четырьмя выходами, соединенными со вторыми входами соответствующих перемножителей коррелятора, четырех пространственных интеграторов, входах которых соединены с выходами соответствующих перемножителей коррелятора, четырех временных интеграторов, входы которых соединены с выходами соответствующих пространственных интеграторов, девяти перемножителей сигналов, при этом первый вход первого перемножителя сигналов соединен с выходом первого пространственного интегратора, второй вход - с выходом первого временного интегратора, первый вход второго перемножителя сигналов соединен с выходом четвертого пространственного интегратора, второй вход - с выходом четвертого временного интегратора, первый и второй вход третьего перемножителя сигналов соединены с выходом первого временного интегратора, первый вход четвертого перемножителя сигналов соединен с выходом первого временного интегратора, второй вход - с выходом второго пространственного интегратора, первый вход пятого перемножителя сигналов соединен с выходом второго временного интегратора, второй вход - с выходом первого пространственного интегратора, первый вход шестого перемножителя сигналов соединен с выходом третьего временного интегратора, второй вход - с выходом четвертого пространственного интегратора, первый вход седьмого перемножителя сигналов соединен с выходом четвертого временного интегратора, второй вход - с выходом третьего пространственного интегратора, первый и второй входы восьмого перемножителя сигнала соединены с выходом четвертого временного интегратора, пяти сумматоров, при этом первый вход первого сумматора соединен с выходом третьего перемножителя сигналов, второй вход - с выходом восьмого перемножителя сигналов, первый вход второго сумматора соединен с выходом четвертого перемножителя сигналов, второй вход - с выходом пятого перемножителя сигналов, третий вход - с выходом шестого перемножителя сигналов, четвертый вход - с выходом седьмого перемножителя сигналов, первый вход третьего сумматора соединен с выходом второго временного интегратора, второй вход - с выходом третьего временного интегратора, первый вход четвертого сумматора соединен с выходом первого перемножителя сигналов, второй вход - с выходом второго перемножителя сигналов, устройства извлечения квадратного корня, вход которого соединен с выходом первого сумматора, первого и второго функциональных преобразователей, входы которых соединены с выходом устройства извлечения квадратного корня, трехвходового перемножителя, первый вход которого соединен с выходом третьего сумматора, второй вход - с выходом первого функционального преобразователя, третий вход - с выходом четвертого сумматора, выход второго сумматора соединен с первым входом девятого перемножителя сигналов, выход второго функционального преобразователя соединен со вторым входом девятого перемножителя сигналов, первый вход пятого сумматора соединен с выходом девятого перемножителя сигналов, второй вход пятого сумматора соединен с выходом трехвходового перемножителя. Выход пятого сумматора является выходом соответствующего блока ПВО и соединен с соответствующим входом сумматора канала, выход которого является выходом соответствующего канала ПВД. Точность определения оценки рассогласования между текущим и опорным значениями измеряемых параметров при флуктуации фазы, обусловленной турбулентностью атмосферы, данным устройством повышается за счет усреднения функционала правдоподобия по равномерно распределенным в интервале [0,2] фазам. Изобретение иллюстрируется пятью фигурами. На фиг. 1 представлена локальная система координат и приняты следующие обозначения: введена декартова X, Y, Z и сферическая R, , системы координат, радиус-вектор, который определяет положение цели, радиус-вектор, определяющий точку приема в области Li задания функции раскрыва j-ой элементарной антенны, при этом Li - совпадает с плоскостью XY; положение точки приема задается полярными координатами ,; - угол между векторами радиус-вектор, определяющий точку приема относительно цели. На фиг. 2 и 3 показаны графики изменения функций и , реализованных первым и вторым функциональным преобразователем. На фиг. 4 представлена структурная схема ПВД и приняты следующие обозначения: 11-1N антенные решетки, 211-2N4 - перемножители корреляторов, 31-3N блоки опорных сигналов, 411-4N4 - пространственные интеграторы, 511-5N4 временные интеграторы, 611-6N9 - перемножители сигналов, 711-7N5 - сумматоры, 81-8N - устройство извлечения корня, 91-9N - первый функциональный преобразователь, 101-10N - второй функциональный преобразователь, 1111-11N - трехвходовый перемножитель, 121-12N - сумматор канала. На фиг. 5 представлен график изменения выигрыша в зависимости от отношения сигнал/шум. При этом в нумерации блоков принято следующее правило: первый индекс соответствует номеру блока в канале ПВД, второй индекс соответствует номеру устройства в блоке ПВО. Рассмотрим работу ПВД в статике. Выходы антенных решеток 11-1N соединены с первыми входами перемножителей 211-2N4 коррелятора соответствующих блоков ПВО каждого канала ПВД. В каждом блоке ПВО выходы блока 31-3N опорных сигналов соединены с вторыми входами соответствующих перемножителей 211-2N4 коррелятора. Входы пространственных интеграторов 411-4N4 соединены с выходами соответствующих перемножителей 211-2N4 коррелятора. Входы временных интеграторов 511-5N4 соединены с выходами соответствующих пространственных интеграторов 411-4N4. Первый вход левого перемножителя 611 сигналов соединен с выходом первого пространственного интегратора 411, второй вход с выходом первого временного интегратора 511. Первый вход второго перемножителя 612 сигналов соединен с выходом четвертого пространственного интегратора 414, второй вход - с выходом четвертого временного интегратора 514. Первый и второй вход третьего перемножителя 613 сигналов соединены с выходом первого временного интегратора 511. Первый вход четвертого перемножителя 614 сигналов соединен с выходом первого временного интегратора 511, второй вход - с выходом второго пространственного интегратора 412. Первый вход пятого перемножителя 615 сигналов соединен с выходом второго временного интегратора 512, второй вход - с выходом первого пространственного интегратора 411. Первый вход шестого перемножителя 616 сигналов соединен с выходом третьего временного интегратора 513, второй вход - с выходом четвертого пространственного интегратора 414. Первый вход седьмого перемножителя 617 сигналов соединен с выходом четвертого временного интегратора 514, второй вход - с выходом третьего пространственного интегратора 413. Первый и второй входы восьмого перемножителя 618 сигнала соединены с выходом четвертого временного интегратора 514. Первый вход первого сумматора 711 соединен с выходом третьего перемножителя сигналов 613, второй вход - с выходом восьмого перемножителя 618 сигналов. Первый вход второго сумматора 712 соединен с выходом четвертого перемножителя 614 сигналов, второй вход - с выходом пятого перемножителя 615 сигналов, третий вход - с выходом шестого перемножителя 616 сигналов, четвертый вход - с выходом седьмого перемножителя 617 сигналов. Первый вход третьего сумматора 713 соединен с выходом второго временного интегратора 512, второй вход - с выходом третьего временного интегратора 513. Первый вход четвертого сумматора 714 соединен с выходом первого перемножителя сигналов 611, второй вход - с выходом седьмого перемножителя 617 сигналов. Вход устройства извлечения квадратного корня 81 соединен с выходом первого сумматора 711. Входы первого и второго функциональных преобразователей 91 и 101 соединены с выходом устройства извлечения квадратного корня 81. Первый вход трехвходового перемножителя 111 соединен с выходом третьего сумматора 713, второй вход - с выходом первого функционального преобразователя 91, третий вход - с выходом четвертого сумматора 714. Вход второго сумматора 712 соединен с первым входом девятого перемножителя 619 сигналов. Выход второго функционального преобразователя 101 соединен со вторым входом девятого перемножителя 619 сигналов. Первый вход пятого сумматор 715 соединен с выходом девятого 619 перемножителя сигналов, второй вход соединен с выходом трехвходового перемножителя 111. Выход пятого сумматора 715 является выходом соответствующего блока ПВО и соединен с соответствующим входом сумматора 121 канала ПВД, выход которого является выходом соответствующего канала, выход которого является соответствующим выходом ПВД. Рассмотрим принцип действия заявляемого устройства. Пусть в ПВД входит N пространственно-разнесенных антенн. Каждая антенна (фиг. 1) принимает сигнал, несущий информацию о положении цели в пространстве: где комплексный полезный сигнал; t - время; вектор координат и скорости люцируемой цели; радиус вектор точки раскрыва i-ой элементарной антенны; a - случайная нормированная амплитуда; i - случайная фаза; прocтpaнcтвeннo-вpeменной гауссов шум. Положим, что шумы, действующие в i-ой и j-ой элементарных антеннах, взаимно некоррелированы, так как эти антенны пространственно разнесены. Определим функционал правдоподобия для неподвижной цели. В локальной системе координат, представленной на фиг. 1 и связанной с i-ой парциальной антенной, фазовый центр которой находится в начале координат, радиус-вектор определяет положение цели (точка C), радиус-вектор определяет точку приема относительно цели, а радиус вектор определяет точку приема в области Li задания функции раскрыва приемной антенны, отраженный от точечной цели и сформированный антенной сигнал имеет вид:где комплексная огибающая излучаемого сигнала;
(t) - закон угловой модуляции;
ri, Ri - модули соответствующих векторов
c - скорость распространения сигнала;
0 - несущая частота. Функционал правдоподобия для МПРЛС выглядит [4]:
где T= {ai,a2,...,aN,1,2,...,N} - вектор несущественных параметров;
N0i - спектральная плотность шумов. Предположим вначале, что флуктуации амплитуды сигнала незначительны, тогда усредненный функционал правдоподобия по равномерно распределенным в интервале фазам, будет иметь вид [4]:
где I0() - модифицированная функция Бесселя нулевого порядка. Разработанный принцип полугруппового синтеза алгоритмов [5] предполагает вычисление выходного эффекта по формуле:
и использование его в уравнении фильтрации:
где оценка вектора состояния;
вектор функция-столбец, непрерывная по всем аргументам;
K - ковариационная матрица, полученная в соответствии с методом временного усреднения [6];
- оператор Гамильтона
Как видно из (3), для синтеза структуры измерителя необходимо иметь уравнение движения цели (т.е. знать структуру функции с входящими в нее параметрами) и знать структуру дискриминатора, определяемую выходным эффектом F выражения (2). Для цели, движущейся в плотных слоях атмосферы по баллистической траектории уравнения движения имеют вид [7]:
где vi - проекция вектора скорости v на i-ую координату;
cx - безразмерный коэффициент силы лобового сопротивления;
sM - площадь миделя;
m -масса;
M[] - оператор математического ожидания;
M[] - средняя плотность атмосферы;
флуктуации плотности атмосферы. В уравнениях (4) силой тяжести будем пренебрегать ввиду большого значения вектора скорости и не учитывать вращение вокруг центра масс, так как цель полагается точечной. Параметры движения - вектор скорости и вектор координат модулируют радиолокационный сигнал S, который, взаимодействуя с шумами, поступает на антенные решетки МПРЛС. Предположим, что соблюдаются условия, при которых флуктуацией фазы пренебречь нельзя. Тогда функция F, используя формулы (1) и (2), получит вид:
где Sic, Sis -действительная и мнимая составляющие сигнала
В выражении (5) функция () определяется следующей зависимостью:
(6)
где модифицированная функция Бесселя первого порядка. В соответствии с алгоритмом (3) определим градиент выходного эффекта:
где функция () определяется по следующей формуле:
а проекции вектора имеют следующие значения:
На фиг. 2 и 3 представлены графики изменения функции и .
Для удобства описания работы схемы введем обозначения:
Sm1i=Rkic2+Rkis2,
Sm2ij=RKicPdicj+PdicjPkic+ RdisjPkis+RkisPdisj,
Sm3ij=Rdicj+Rdisj,
Выражение (7) в упрощенной форме запишется в виде:
где
или
Структурная схема пространственно-временного дискриминатора определяется выражением (7). Устройство работает следующим образом. Сигналы Zi с антенных решеток 11-1N поступают на входы соответствующих блоков ПВО каждого канала ПВД. При этом в каждом блоке ПВО сигналы поступают на первые входы перемножителей 211-214 коррелятора, в которых они перемножаются с опорными сигналами Sic, Sis и их производными, поступающими на вторые входы с соответствующих выходов блока 31 опорных сигналов. Далее произведение сигналов поступает с выходов перемножителей 211-214 коррелятора на соответствующие входы пространственных интеграторов 411-414, с выхода первого пространственного интегратора 411 пространственная корреляционная функция (ПКФ) поступает на первый вход первого перемножителя 611 сигналов, на вход первого временного интегратора 511 и на второй вход пятого перемножителя 615 сигналов. С выхода второго пространственного интегратора 412 ПКФ поступает на вход второго временного интегратора 512 и на второй вход четвертого перемножителя 614 сигналов. С выхода третьего пространственного интегратора 413 ПКФ поступает на вход третьего временного интегратора 513 и на второй вход седьмого перемножителя 617 сигналов, с выхода четвертого пространственного интегратора 414 сигнал поступает на первый вход второго перемножителя 612 сигналов, на вход четвертого временного интегратора 514 и на второй вход шестого перемножителя 616 сигналов, с выхода первого временного интегратора 511 пространственно-временная корреляционная функция (ПВКФ) поступает на второй вход первого перемножителя 611 сигналов, на первый и второй входы третьего перемножителя 613 сигналов, на первый вход четвертого перемножителя 614 сигналов, с выхода второго временного интегратора 512 ПВКФ поступает на первый вход пятого перемножителя 615 сигналов и на первый вход третьего сумматора 713, с выхода третьего временного интегратора 513 ПВКФ поступает на первый вход шестого перемножителя 616 сигналов и на второй вход третьего сумматора 713, с выхода четвертого временного интегратора 514 ПВКФ поступает на второй вход второго перемножителя 612 сигналов, на первый вход седьмого перемножителя 617 сигналов и на первый и второй вход восьмого перемножителя 618 сигналов, с выхода первого перемножителя 611 сигналов сигнал, пропорциональный произведению RkicPkic, поступает на первый вход четвертого сумматора 714, с выхода второго перемножителя 612 сигналов сигнал, пропорциональный произведению RkisPkis, поступает на второй вход четвертого сумматора 714, с выхода третьего перемножителя 613 сигналов сигнал, пропорциональный произведению RkicRkic, поступает на первый вход первого сумматора 711, с выхода четвертого перемножителя 614 сигналов сигнал, пропорциональный произведению RkicPdicj, поступает на первый вход второго сумматора 712, с выхода пятого перемножителя 615 сигналов сигнал, пропорциональный произведению RdicjPkis, поступает на второй вход второго сумматора 712, с выхода шестого перемножителя 616 сигналов сигнал, пропорциональный произведению RdisjRkis, поступает на третий вход второго сумматора 712, с выхода седьмого перемножителя 617 сигналов сигнал, пропорциональный произведению RkisPdisj, поступает на четвертый вход второго сумматора 712, с выхода восьмого перемножителя 618 сигналов сигнал, пропорциональный произведению RkisRkis, поступает на второй вход первого сумматора 711, с выхода первого сумматора 711 сигнал, пропорциональный сумме Sm1i, поступает на устройство извлечения квадратного корня 81, на выходе которого формируется сигнал, пропорциональный модулю ПВКФ поступающий на вход первого функционального преобразователя 91, в котором происходит произведение на величину, представленную зависимостью (8), и на вход второго функционального преобразователя 101, в котором происходит произведение на величину, представленную зависимостью (6), с выхода второго сумматора 712 сигнал, пропорциональный сумме Sm2ij, поступает на первый вход девятого перемножителя 619 сигналов, с выхода третьего сумматора 713 сигнал, пропорциональный сумме Sm3ij, поступает на второй вход трехвходового перемножителя 111, с выхода четвертого сумматора 714 сигнал, пропорциональный сумме Sm4i, поступает на третий вход трехвходового перемножителя 111, с выхода первого функционального преобразователя 91 сигнал, пропорциональный произведению поступает на первый вход трехвходового перемножителя 111, с выхода второго функционального преобразователя 101 сигнал, пропорциональный произведению поступает на второй вход девятого перемножителя 619 сигналов, с выхода которого сигнал, пропорциональный произведению поступает на первый вход пятого сумматора 715, с выхода трехвходового перемножителя 111 сигнал, пропорциональный произведению поступает на второй вход пятого сумматора 715, с выходов пятых сумматоров 715-7N5 каждого блока ПВО сигналы, пропорциональные суммам Sm5ij, поступают на соответствующие входы сумматора канала 121, на выходе которых получаем оценку рассогласования между принимаемым и опорным сигналами, представленную выражением (7). Предложенное устройство обеспечивает повышение точности определения оценки рассогласования между текущими и опорными значениями измеряемых параметров при флуктуации фазы, обусловленной турбулентностью атмосферы. Это происходит за счет реализации в предложенном устройстве пространственно-временной обработки в соответствии с выражением (7). Докажем это. При когерентной пространственно-временной обработке особую роль играют флуктуации фазы, приводящие к нарушению пространственной когерентности сигналов. Кроме этого, при работе простейшего оптимального приемника, решающего задачу бинарного обнаружения, флуктуация фазы увеличивает полную вероятность ошибки, представленную выражением:
Pош=P(0)Pлт+P(uc)Pпр,
где uc(t) = cos(t+0) - входное колебание;
0 - несущая частота;
P(0) - априорная вероятность того, что сигнал на входе оптимального обнаружителя равен нулю;
P(uc) - априорная вероятность того, что сигнал на входе оптимального обнаружителя равен uc;
Pлт и Pпр - условные вероятности ложных тревог и пропусков сигнала. Докажем последнее утверждение. Как уже отмечалось, P(0) и P(uc) - априорные вероятности, полагаются известными, Pлт от флуктуаций не зависит. Найдем условную вероятность пропуска Pпр для сигнала с флуктуацией, обусловленной неоднородной средой распространения. Из [3] известно, что пропуск сигнала соответствует случаю выполнения неравенства
где U0 - пороговое смещение на выходе приемника;
uc(t,) - сигнал, несущий информацию о положении цели;
- случайная фаза;
Pпр - вероятность выполнения неравенства (10), в котором определяется формулой:
где N0 - спектральная плотность шума. Раскрывая скобки, получаем:
Величина (), определяемая соотношением (1), имеет закон распределения:
где
где Q - энергия сигнала. Следовательно, вероятность пропуска сигнала с флуктуацией фазы для прототипа равна:
где
Вероятность пропуска сигнала, усредненного по равномерно-распределенным фазам для прототипа, равна:
Вероятность пропуска сигнала для предлагаемого устройства после обработки этого сигнала с флуктуацией фазы будет определяться:
Введем величину, характеризующую выигрыш, получаемый в результате применения предлагаемого устройства в сравнении с прототипом:
На фиг. 5 представлен график изменения выигрыша в зависимости от отношения сигнал/шум. Таким образом, как следует из фиг. 5, предложенное устройство обеспечивает выигрыш в качестве обработки сигналов. Задача, решаемая заявляемым устройством, - повышение точности определения оценки рассогласования между текущими и опорными значениями измеряемых параметров при флуктуации фазы, обусловленной турбулентностью атмосферы, решена. Устройство можно реализовать следующим образом. Устройства извлечения квадратного корня, перемножители, сумматоры, временные интеграторы реализуются различными известными способами с использованием операционных усилителей [8, 9], первый и второй функциональные преобразователи можно реализовать с помощью нелинейного блока [8] или на основе операционных усилителей [8, 9]. Пространственный интегратор можно реализовать с помощью полосковых делителей мощности [10]. Источники информации
1.Коростылев А.А. Пространственно-временная теория радиосистем. Уч. пособие для вузов. - М.: Радио и связь, 1987. 2. Теоретические основы радиолокации. Уч. пособие для вузов. А.А.Коростылев, H.Ф. Клюев, Ю.А.Мельник и др. Под ред. Дулевича. 2-е изд., перераб. и доп. - M.: Сов. радио, 1978. 3. Гуткин Л.С. Теория оптимальных методов радиоприема при флуктуационных помехах. Изд. 2-е, дополненное и переработанное. - М.: Советское радио, 1972. 4. Пространственно-временная обработка сигналов / И.Я. Кремер, А.И. Кремер, В.М. Петров и др.; Под ред. И.Я. Кремера. -М.: Радио и связь, 1984. 5. Булычев Ю. Г., Таран В.Н., Хуторцев В.В. Р.Э. 1987. Т. 32., N 6. с. 1251. 6. Ярлыков М. С. Применение марковской теории нелинейной фильтрации в радиотехнике. М.: Сов. радио, 1980. 7. Аппазаров Р.Ф., Сытин О.Г. Методы проектирования траекторий носителей и спутников Земли. М.: Наука, 1987. 8. Математическое обеспечение ABK-31. Библиотеки. ПTО.132.002 Д2. 1978. 9. Алексеенко А.Г., Шагурин И.И. Микросхемотехника: Уч. пособие для вузов/Под ред. И.П. Степаненко. -М.: Радио и связь, 1982. 10. Антенны и устройства СВЧ. Проектирование фазированных антенных решеток. Уч. пособие для вузов /В.С. Филлипов, Л.И.Пономарев, А.Ю. Гринев и др. ; Под ред. Д.И. Воскресенского. 2-е изд., доп. и перераб. -М.: Радио и связь, 1994.
Формула изобретения
РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5