Разработка статистической модели и исследование адаптивных алгоритмов защиты от комбинированных помех

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Устройства, принципы и алгоритмы защиты от комбинированных помех

1.1 Общие сведения о радиолокационных системах

1.2 Краткая характеристика комбинированных помех

1.3 Алгоритмы и устройства зашиты от комбинированных помех

2. Разработка статистической модели и исследование адаптивных алгоритмов защиты от комбинированных помех

2.1 Принципы статистического (имитационного) моделирования измерительных радиолокационных систем в условиях воздействия комбинированных помех

2.2 Разработка статистической модели адаптивной РЛС с линейной ФАР

2.3 Исследование алгоритмов защиты от комбинированных помех

3. Технико-экономическое обоснование работы

3.1 Структура затрат на элементы входящие в систему

3.2 Оценка экономической эффективности исследуемых алгоритмов экспертным методом

4. Безопасность и экологичность

4.1 Влияние параметров микроклимата на самочувствие человека

4.2 Нормирование параметров микроклимата

Заключение

Список использованных источников

радиолокационный помеха статистическое моделирование

ВВЕДЕНИЕ

Радиолокация представляет собой отрасль радиотехники, обеспечивающую получение сведений об объектах путем приема и анализа энергетических, пространственно-временных, поляризационных и частотных параметров электромагнитных колебаний (радиоволн). Объекты радиолокации называют радиолокационными целями, к которым относят:

а) аэродинамические (самолеты, вертолеты, крылатые ракеты и пр.);

б) космические (спутники, баллистические ракеты и пр.);

в) наземные (надводные) объекты - автомобили, танки, корабли и пр.;

г) объекты природного происхождения (облака, лесные и горные массивы, природные ионосферные аномалии, планеты и пр.).

Совокупность получаемых сведений об объектах называют радиолокационной информацией (РЛИ). Поэтому термину «радиолокационная цель» придают информационное содержание. В основе получения РЛИ находится некоторая совокупность радиолокационных методов, обеспечивающих выявление следующих сведений о целях: пространственных координат и законов их изменения во времени (траекторий цели); радиальной скорости, государственной принадлежности и типа (класса) цели.

Для реализации радиолокационных методов создаются специальные радиотехнические средства, называемые радиолокационными станциями (РЛС). Совокупность нескольких разнофункциональных РЛС (например, дальномера и радиовысотомера) называют радиолокационным комплексом (РЛК).

Радиолокационные станции обзорного типа ведут обзор воздушного пространства в некоторой области воздушного пространства, называемого зоной обнаружения РЛС. В процессе обзора они решают комплекс задач радиолокационного наблюдения, включающий обнаружение объекта локации на фоне внутренних шумов приемного устройства и внешних помех, измерение его пространственных координат (азимута, дальности, угла места или высоты) и параметров движения (радиальной скорости), разрешение по координатам близко расположенных целей, определение государственной принадлежности по принципу «свой - чужой», распознавание классов объектов по принципу «крылатая ракета - истребитель - бомбардировщик», обнаружение (завязка) трасс целей и их автоматическое сопровождение (для обзорных РЛС с цифровой обработкой сигналов, содержащих элементы вторичной обработки сигналов).

Радиолокационные станции сопровождения, в отличие от РЛС обзорного типа, решают задачи автоматического сопровождения одной или нескольких целей по угловым координатам, дальности и скорости. В таких РЛС принципиально важными техническими устройствами являются угловые, временные и частотные дискриминаторы, обеспечивающие формирования сигнала ошибки (так называемой невязки), пропорционального величине отклонения измеряемой координаты от заданного (опорного) значения. Сигнал ошибки, пройдя цепи сглаживания и фильтрации, используется в контуре слежения за целью для уменьшения степени отклонения измеряемого параметра сопровождаемой цели от его истинного значения.

Современный этап развития радиолокационных систем характеризуется наличием широкого класса внешних активных и пассивных помех, а так же их разнообразных комбинаций.

Защита РЛС различного назначения от радиопомех представляет собой одну из важнейших проблем, возникающих как при разработке, так и при использовании в боевой работе. Данная проблема обусловлена прежде всего увеличением количества радиоэлектронной аппаратуры и разнообразием выполняемых ее задач, вследствие чего возрос уровень взаимных помех. Помехи создаются также промышленными предприятиями, электробытовыми приборами, а так же быстро развивающимися методами и средствами радиопротиводействия, использующие многообразие типов преднамеренных радиопомех, снижающих эффективность выделения полезных сигналов. Помеховая обстановка, в которой приходится работать современным РЛС, характеризуется наличием комбинированно взаимодействующих многообразных видов помех, имеющих, как естественное, так и искусственное происхождение.

За прошедшее время были разработаны и внедрены в использование эффективные алгоритмы и устройства (оптимальные фильтры с постоянными параметрами) подавления помех с известной априорной информацией. Для борьбы с РЛС использующие такие устройства и алгоритмы, силы и средства радиопротиводействия стали использовать комбинированные помехи, параметры которых априори не определены.

Комбинированные помехи представляют собой комбинации различных видов активных и пассивных помех, и полезного сигнала, которые подразделяются на:

аддитивные - чаще называют шумом, представляет собой сумму полезного сигнала, активной и пассивной помех;

мультипликативные - действие которых проявляется в нерегулярном изменении уровня сигнала;

полуактивные - создаются облучением активными помехами пассивных отражающих структур.

Для борьбы с комбинированными радиопомехами разработаны и разрабатываются эффективные средства их фильтрации (подавления).

Фильтры, используемые для решения задач подавления помех, могут иметь постоянные параметры или быть адаптивными. Синтез фильтров с постоянными параметрами обязательно основан на априорных сведениях о сигнале и помехи, и адаптивные фильтры обладают свойством автоматически перестраивать свои параметры, и при их синтезе почти не требуется априорных сведений о свойствах сигнала и помехи, таковыми и являются комбинированные помехи.

Адаптивные фильтры используют вспомогательный или эталонный входной сигнал, получаемый от одного или нескольких источников, располагаемых в тех точках поля помех, где сигнал является слабым или не обнаруживается. Этот входной сигнал помехи фильтруется и выделяется из смеси сигнала и помехи. В результате исходная помеха подавляется или ослабляется.

На первый взгляд выделение помехи из принятого сигнала имеет свои отрицательные стороны. При неправильной фильтрации может возрасти мощность помехи на выходе системы. Однако во многих случаях при управлении фильтрацией и выделении помехи с помощью соответствующего адаптивного алгоритма подавления помех, часто можно достичь такого положительного результата, которого трудно или невозможно прямыми методами фильтрации.

В последующем, из-за необходимости работы в условиях воздействия помех с нескольких точек пространства и ослабления влияния ошибок амплитудно-фазового распределения фазированных антенных решеток (ФАР), акценты и приоритеты в развитии адаптивного обнаружения сместились в сторону комбинированных алгоритмов, использующих одновременно текущую оценку матрицы, обратной корреляционной матрице помех, и корреляционную обратную связь [2]. В последнее время развитие алгоритмов адаптивного обнаружения связано с применением элементов искусственного интеллекта, в том числе и так называемых нейронных сетей.

Практическая ценность того или иного алгоритма защиты заключается не только в высокой эффективности, но и в возможности их технической реализации с минимально необходимыми вычислительными или аппаратурными затратами в реальном масштабе времени.

Техническая реализация быстродействующих адаптивных алгоритмов защиты на базе ФАР с оценкой обратной корреляционной матрицы помех, связана со значительными техническими трудностями. В то же время, имеющиеся в настоящее время современные вычислительные средства с соответствующим программно-математическим обеспечением и быстродействием позволяют обойтись без весьма затратных натурных экспериментов и провести достоверную экспериментальную проверку синтезированных алгоритмов и измерительных устройств на основе верифицированных статистических моделей.

Целью дипломной работы является исследовать найденные алгоритмы обеспечивающие защиту от комбинированных помех и удовлетворяющие техническому заданию дипломной работы. Исследование будет проводиться по критериям быстродействия и максимального подавления помехи.

Для достижения цели дипломной работы необходимо выполнить следующие задачи:

Произвести обзор литературы, поиск и анализ алгоритмов, которые можно применить для защиты от комбинированных помех.

Разработка структурных схем и математических моделей алгоритмов защиты от комбинированных помех.

Разработка статистической модели алгоритмов для исследования по критериям быстродействия и максимального подавления.

В главе 1 будут приведены: общие сведения о измерительных радиолокационных системах, характеристика комбинированных помех, выполнен обзор литературы, поиск алгоритмов и их анализ.

В главе 2 будет произведена разработка статистической модели алгоритмов для исследования по критериям быстродействия и максимального подавления, а также проведено само исследование.

В главе 3 будет выполнено технико-экономическое обоснование работы.

Глава 4 будет посвящена безопасности и экологичности проекта.

1. Устройства, принципы и алгоритмы защиты от комбинированных помех.

1.1 Общие сведения о радиолокационных системах

В общем случае под радиолокационными системами принято понимать совокупность средств радиолокации предназначенных для информационного обеспечения процессов радиолокационной разведки, радиолокационного контроля и изучения наземного, воздушного и космического пространства страны в интересах успешного решения задач оборонного, научно-технического и социально-экономического характера. Подсистемы зондирования пространства, управления обзором, защиты, контроля и другие подсистемы, непосредственно входят в состав радиолокационных станций (РЛС).

К задачам оборонного характера относятся противовоздушная, противоракетная и противокосмическая оборона, а также предупреждение о ракетном нападении, осуществляемые с целью безусловного сохранения свободы, независимости и государственной целостности страны. К задачам научно-технического характера относятся исследование средствами радиолокации ближнего и дальнего космоса, вещественно-полевой и гравитационной структуры вселенной, компонентного состава и форм взаимодействия планет солнечной системы и ближайших галактик и др. К задачам социально-экономического характера относятся управление воздушным движением гражданской авиации, картографирование рельефа местности и приземного слоя, метеорологическое наблюдение за состоянием атмосферы, орнитологический контроль за миграцией птиц и другое.

РЛС являются первичным источником радиолокационной информации. Они осуществляют радиолокационный обзор пространства, сбор и первичную обработку информации об объектах локации и их автоматическое сопровождение по координатам.

В целом процесс обработки радиолокационной информации в радиолокационной системе включает следующие функционально законченные операции [1,4]:

а) Обнаружение полезных (отраженных от цели) сигналов состоит в принятии решения о наличии или отсутствии цели в каждом выделенном элементе пространства с минимальными вероятностями ошибок;

б) Измерение состоит в оценке координат и других параметров движения целей с минимальными вероятными погрешностями. В процессе этой операции как показано на рисунке 1.1, производится статистическая оценка дальности до цели (например, по задержке отраженного сигнала относительно момента излучения зондирующего сигнала), ее азимута и угла места , закодированных в параметрах пространственно-временной модуляции отраженного сигнала;

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Рисунок 1.1 - Принцип радиолокационного наблюдения.

Могут измеряться отдельные производные координат:

в) Радиальная скорость (или по доплеровскому сдвигу частоты отраженного сигнала относительно частоты зондирующего сигнала для РЛС с разрешением по радиальной скорости);

г) Элементы траектории и другое;

д) Разрешение заключается в обнаружении и измерении параметров произвольной цели в присутствии других целей. Разрешающую способность по координатам характеризуют разрешаемым объемом с определенными конфигурацией и размерами. Последние устанавливают так, чтобы показатели качества обнаружения и измерения параметров цели, расположенной в центре данного объема, практически не ухудшались при наличии целей в соседних. Разрешаемый объем импульсного радиолокатора называют импульсным объемом. Наряду с разрешением по координатам возможно разрешение по их производным (например, по радиальной скорости ) и по траекториям;

е) Классификация состоит в установлении принадлежности цели к определенному классу. В одних случаях выявляют принадлежность «свой - чужой» с помощью запросно-ответных устройств опознавания, установленных на своих объектах, в других случаях распознают класс цели (например, бомбардировщик, истребитель, крылатая ракета, головка баллистической ракеты, ложные цели и другое.), не отвечающей на запрос.

Операции с «а» по «г» выполняются на основе сигналов, полученных в текущем периоде (цикле) обзора РЛС. Совокупность этих операций составляет содержание первого этапа обработки, называемого первичной обработкой РЛИ;

ж) Определение траектории цели по совокупности радиолокационных отметок, полученных в ряде последовательных периодов обзора РЛС. В процессе выполнения этой операции необходимо установить принадлежность нескольких отметок из различных периодов обзора к одной цели, принять по ним однозначное решение о наличии или отсутствии цели, а также вычислить начальные значения параметров траектории обнаруженной цели.

з) Слежение за траекторией цели (сопровождение цели). В процессе слежения за траекторией необходимо в каждом обзоре отобрать новые отметки для продолжения траектории и уточнить параметры траекторий с учетом координат новых отметок.

д) Траекторные расчеты по каждой (или части) из находящихся на сопровождении целей в интересах потребителей радиолокационной информации. Сюда относятся точное сглаживание и прогнозирование (экстраполяция) параметров траекторий на рубеже принятия окончательных решений, определение районов старта и падения баллистических целей и другое.

Операции с «ж» по «д» выполняются пообзорно на основе радиолокационных сигналов, полученных в процессе первичной обработки информации, в общем случае нескольких РЛС и называется вторичной обработкой РЛИ.

и) Объединение информации от нескольких источников (отдельных РЛС или групп РЛС, имеющих общую систему вторичной обработки) является третьим этапом обработки РЛИ. В процессе объединения информации решаются задачи отождествления (идентификации) траекторий, полученных от нескольких источников по одной и той же цели, и вычисления параметров объединенных траекторий.

В основе процедуры получения первичной РЛИ о радиолокационных целях лежит явление радиолокации - диффузного отражения электромагнитных волн от границы раздела двух сред с различной диэлектрической и магнитной проницаемостью. Термин «радиолокация» составлен из латинских слов «lokus» - место и «radio» - излучение, характеризующих важнейшую из решаемых задач и путь решения. Применяются электромагнитные излучения метровых, дециметровых, сантиметровых и миллиметровых волн. Диапазон волн (частот) непрерывно расширяется.

На РЛС воздействуют помехи природного происхождения (естественные), от других радиоэлектронных средств (взаимные), а в ряде случаев - организованные (умышленные). Роль взаимных помех возросла в связи с внедрением различных радиоэлектронных средств в народное хозяйство и военную технику; стало актуальным обеспечение их электромагнитной совместимости. Поэтому одной из важнейших задач современной теории и техники радиолокации является повышение помехозащищенности РЛС, то есть поддержание качества РЛИ в помеховых ситуациях на допустимом уровне. Для решения этой задачи используют различные меры защиты от помех - приспособления (адаптации РЛС) к помеховой обстановке. Сами помехи несут информацию о целях - их постановщиках, пригодную для извлечения. Целесообразное объединение радиолокационных средств в системы - одна из мер повышения качества информации в сложных конфликтных ситуациях. Таким образом, усложнение условий работы, необходимость повышения качества радиолокационного наблюдения и живучести РЛС и систем требуют всестороннего использования современных возможностей получения радиолокационной информации в пределах допустимых экономических затрат.

Носителями информации о целях являются принимаемые радиолокационные сигналы. Прием радиолокационных сигналов обеспечивается в результате вторичного излучения, переизлучения или собственного излучения радиоволн.

При любом из методов радиолокации приходящие сигналы часто оказываются слабыми. Особенно это относится к активной радиолокации с активным ответом, где имеет место двукратное рассеяние энергии: на пути до цели и обратно. Для выделения слабых сигналов принимают ряд мер: увеличивают по возможности габариты передающей и приемной антенн, среднюю мощность зондирующих колебаний; применяют высокочувствительные (малошумящие) входные элементы радиоприемных устройств. Оптимизируют наряду с этим обработку принимаемых колебаний с учетом внешних помех и внутренних шумов приемника. Оптимизация обработки означает наилучший (в статистическом смысле) учет взаимных различий сигналов и помех, что оказывается существенным при обнаружении и измерении.

1.2 Краткая характеристика комбинированных помех

Комбинированные помехи представляют собой комбинации различных видов активных и пассивных помех. Их проявление на индикаторе кругового обзора очень сильно похоже на активные помехи, так как мощность активной помехи в этой комбинации превосходит пассивную помеху. Но применение для борьбы с комбинированными помехами только одних алгоритмов защиты от активных помех не даст ожидаемого эффекта, так как пассивная помеха остается не подавленной, и наоборот применение только алгоритмов защиты от пассивных помех не исключит влияние активной помехи. Поэтому необходимо исследовать и разрабатывать алгоритмы, которые эффективно бы подавляли активную и пассивную помехи.

Активные помехи как показано на рисунке 1.2, по временной структуре подразделяются на непрерывные шумовые, прерывистые шумовые и импульсные. В свою очередь, импульсные помехи по результату воздействия на систему первичной обработки сигналов РЛС подразделяются на маскирующие и имитирующие. Активные маскирующие и имитирующие помехи, как правило, являются аддитивными, то есть являются помехами, мгновенные значения которых являются суммой мгновенных значений двух или более случайных процессов, взятых в один и тот же момент времени [5,6].

Непрерывные шумовые помехи по наличию внешней модуляции делятся на прямошумовые помехи и помехи, модулированные шумом.

Прямошумовые помехи (так называемые «белые» гауссовские шумы). Характерной особенностью прямошумовой помехи является то, что все ее параметры - амплитуда, фаза и несущая частота изменяются по случайным законам. Обычно у этих сигналов ширина спектра много меньше значения несущей частоты, в связи с чем их часто называют квазигармоническими шумами. Модулированные шумовые помехи принято разделять по виду модулируемого параметра несущего колебания на амплитудно-модулированные шумовые помехи (АМШП), фазомодулированные шумовые помехи (ФМШП) и частотно-модулированные шумовые помехи (ЧМШП). Фазомодулированные шумовые помехи представляют собой высокочастотные колебания, мгновенное значение начальной фазы которых изменяется во времени по закону изменения напряжения модулирующего шума. Важнейшими преимуществами ФМШП по сравнению с АМШП являются отсутствие (при достаточно глубокой модуляции) в ее спектре ярко выраженного несущего колебания и возможность простым изменением коэффициента усиления модулятора в весьма широких пределах (десятки-сотни мегагерц) менять ширину спектра помехового сигнала без расширения спектра модулирующего шума.

Частотно-модулированные шумовые помехи представляют собой непрерывные колебания, у которых текущее значение частоты меняется по закону модулирующих шумов. Преимущество ЧМШП относительно АМШП состоит в том, что изменением напряжения модулирующих шумов можно в широких пределах изменять ширину спектра выходного сигнала, ставя передатчик помех в режим создания прицельных или заградительных по частоте помех. Для создания заградительных по частоте помех применяют преимущественно ЧМШП, у которых ширина спектра много больше полосы пропускания приемника РЛС.

Воздействие активных шумовых помех. При достаточно большом динамическом диапазоне приемника шумовые колебания создают эффект, аналогичный резкому увеличению внутреннего шума, что затрудняет обнаружение и измерение параметров радиолокационного сигнала. Очень мощные активные помехи, как и взаимные, могут воздействовать по побочным каналам приема. Если динамический диапазон приемника недостаточен и имеет место амплитудное ограничение сигнала (особенно в последних каскадах УПЧ), то отношение сигнал/помеха еще более ухудшается. По мере увеличения интенсивности помех может произойти полное подавление сигнала. Поэтому воздействие маскирующей помехи при малом динамическом диапазоне приемника особенно опасно. Но даже и при очень большом динамическом диапазоне приемника воздействие помехи может значительно ухудшить или полностью помешать обнаружению или сопровождению цели.

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Рисунок 1.2 - Вариант классификации умышленных радиоэлектронных помех.

На рисунке 1.3 показано сечение зоны обнаружения РЛС в горизонтальной плоскости в отсутствие и при наличии внешних помех, где:

- соответственно дальность действия РЛС без помех и в условиях действия помех;

- так называемый сектор эффективного подавления РЛС (сектор максимального снижения дальности обнаружения РЛС).

На рисунке 1.4 показан вид индикатора кругового обзора РЛС при наличии и отсутствии активных помех, принимаемых как основным, так и боковыми лепестками диаграммы направленности (ДН) приемной ФАР.

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Рисунок 1.2 - Изменение зоны обнаружения РЛС при воздействии одного (а) и нескольких (б) источников активных помех.

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Рисунок 1.4 - Вид индикатора РЛС при наличии (а) и при отсутствии (б) активных помех.

Импульсные активные помехи как показано на рисунке 1.2 в зависимости от регулярности повторения во времени могут быть синхронными (период повторения помех соответствует периоду повторения зондирующего сигнала) и несинхронными. Постановка импульсных помех может вестись в целях имитации ложных целей или маскировки основных целей. В качестве импульсной помехи может использоваться принятый, условный или излученный бортовой станцией помех сигнал, приближающийся по основным параметрам к зондирующему сигналу РЛС. Такие помехи называются ответно-импульсными (ОИП). За счет значительной мощности ОИП, возможен ее прием по боковым лепесткам диаграммы направленности антенны РЛС. При этом эффективность ОИП значительно повышается.

Ответные помехи могут быть однократными, когда на каждый зондирующий сигнал РЛС излучается один ответный импульс, и многократными, когда на каждый зондирующий сигнал РЛС передатчик помех излучает серию ответных сигналов. Для эффективного подавления системы автосопровождения по дальности (АСД) РЛС сопровождения необходимо, чтобы период повторения размноженного сигнала был соизмерим со значением разрешающей способности этой РЛС по дальности, что требует большой мощности помехи.

Помехи, уводящие по дальности. Они имитируют ложную цель, летящую со скоростью, отличающейся от реальной скорости источника помех, и находящуюся на расстоянии от РЛС, на котором цели нет. Если на входе приемника РЛС мощность помехи много больше мощности сигнала, то система АСД переходит в режим сопровождения помехи при разумно выбранной скорости изменения ее времени запаздывания. При этом как дальность до цели, так и скорость сближения с ней измеряются с существенными ошибками. Для нарушения работы системы АСД режим работы станции помех, уводящих по дальности, наряду с циклом увода включает интервал «молчания», т.е. выключенного состояния станции помех. Влияние уводящей по дальности помехи не ограничивается каналом сопровождения по дальности. За время памяти и поиска система автосопровождения по угловым координатам, не получая информации о движении цели, может потерять цель за счет выхода ее за пределы ДН антенны РЛС. В этом и заключается главный смысл создания данной помехи.

Помехи, уводящие по скорости (по частоте Доплера). Такие помехи создаются в конечном итоге для нарушения работы системы сопровождения по угловым координатам. Здесь существует полная аналогия с созданием помех, уводящих по дальности. Сущность процессов, происходящих в станции уводящих по частоте помех, сводится к ретрансляции сигнала подавляемой РЛС с изменяющимся во времени смещением его по частоте по определенному (линейному или параболическому) закону. Величина увода по доплеровской частоте может составлять, например, 20 кГц за 5 с, что эквивалентно ускорению ложной цели с перегрузкой 5g. В процессе увода системы автоматического сопровождения по скорости (АСС) следящий угломер сопровождает источник помех без ошибок. После выключения станции помех начинается процесс поиска сигнала по частоте, в течение которого система автоматического сопровождения по угловому направлению отключена. Цель не сопровождается, благодаря чему появляется ошибка сопровождения цели по угловым координатам, что является основным эффектом создания уводящих помех. Увод по дальности и скорости может использоваться как по отдельности, так и совместно.

Следует подчеркнуть, что помимо рассмотренных выше преднамеренных существуют и непреднамеренные импульсные помехи, к которым относятся взаимные помехи близко расположенных РЛС, а также помехи от различной излучающей аппаратуры близкого диапазона длин волн.

Как известно, пассивные помехи, вид которых показан на рисунке 1.5, являются следствием отражения радиоволн от неоднородностей среды распространения. Неоднородность, как правило, образуют такие явления как: метеорологические образования (гидрометеоры - грозовые облака, дождь, снег); облака дипольных отражателей, отражения от поверхности земли, предметов и сооружений находящихся на ней. При этом происходят ослабление и рассеяние излученного сигнала, сигнал приобретает случайный фазовый сдвиг. Если размеры неоднородности таковы, что внутри нее можно выделить несколько не разрешаемых областей, дающих независимые отражения, эхосигнал от неоднородности в целом будет представлять собой нормальный случайный процесс. Метеообразования и облака дипольных отражателей являются распределенными объектами. Поэтому отраженный сигнал будет много большим по длительности, чем зондирующий сигнал. Это явление называют временным рассеянием.

Спектр такого сигнала для любого из разрешаемых элементов может быть записан в виде свертки спектра зондирующего сигнала и доплеровского спектра помехи, показывающего, по сути, распределение векторов радиальных скоростей движения фрагментов метеообразования. Скорость и траектория движения фрагментов метеообразования во многом определяется ветром.

Дипольные отражатели представляют собой тонкие металлизированные пассивные вибраторы, резонансная частота которых совпадает (или близка) с несущей частотой подавляемой РЛС. Если число диполей, попавших в импульсный объем подавляемой РЛС велико, а размеры облака значительны, то помеховый сигнал оказывается существенно интенсивнее сигнала, поступающего от цели (например, самолет), находящегося внутри этого облака. Отражения от метеообразований схожи с дипольными отражателями.

Местные предметы и отражения от поверхности земли в ближней зоне действия РЛС относятся к естественным пассивным помехам которые не меньше преднамеренных ухудшают съем достоверной информации, с ними тоже необходимо бороться.

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Рисунок 1.5 - Вид индикатора РЛС при наличии (а) и при отсутствии (б) пассивных помех.

Из краткого качественного рассмотрения примеров создания радиопомех РЛС можно сделать вывод, что подавление радиолокационных устройств внешними помехами существенно снижает эффективность функционирования измерительных РЛС. Отсюда следует необходимость принятия соответствующих мер помехозащиты, которые препятствовали бы действию радиопомех на приемные тракты РЛС.

1.3 Алгоритмы и устройства зашиты от комбинированных помех

По результатам патентного исследования определено что от комбинированных помех известны следующие способы защиты:

Защита одновременно от всех видов помех выполняемое в одном устройстве без разделения на последовательную или параллельную структуру.

Защита от комбинированных помех путем разделения обработки в пространственной и временной областях с последующим накоплением сигналов в оптимальном фильтре на фоне собственных шумов.

Осуществление подавления активной помехи на фоне пассивной за счет различий спектров принимаемых сигналов с последующим подавлением пассивной помехи.

Первый способ является трудным и практически нереализуемым как программно, так и аппаратно, по причине невозможности создания полной идентичности всех многоканальных компенсационных устройств, осуществляющих как пространственную, так и временную обработку сигналов. По этой причине самые распространенные второй и третий способы.

Во втором способе последовательно при обработке в пространственной области осуществляется компенсация активной составляющей комбинированной помехи (активная помеха). В последующем осуществляется подавление пассивной составляющей комбинированной помехи во временной области.

При реализации третьего способа так же при пространственной обработке осуществляется компенсация активной помехи, но в отличие от второго способа обеспечивается минимальное изменение в спектральной составляющей пассивной помехи. Это достигается двумя путями:

Первый заключается в не постоянной, а периодической оценке активной помехи в моменты времени, когда пассивная помеха отсутствует. У данного способа есть недостаток, это - существенное уменьшение коэффициента подавления активной помехи.

Удаление (подстройка устройства компенсации) активной помехи таким образом, чтоб не затрагивались спектральные составляющие пассивной помехи.

В последующем подробнее рассмотрим второй и третий способы защиты от комбинированных помех.

Если помеха - гауссов процесс и на входе приемного тракта состоит из аддитивной смеси собственного белого шума, пассивной коррелированной помехи и активной помехи, то результирующую спектральную плотность помехи можно представить в виде

Коэффициент передачи системы оптимальной обработки для этого случая:

. (1.1)

Соотношение (1.1) соответствует последовательному включению трех фильтров: оптимального для обнаружения сигнала на фоне «белого» шума, «обеляющего» коррелированную пассивную помеху и компенсирующего активную помеху. Однако уравнение компенсирующего фильтра (третий сомножитель в (1.1)) показывает, что оно отображает устройство, у которого фильтр включен в цепь отрицательной обратной связи между выходом «обеляющего» фильтра и входом всего устройства, как показано на рис. 1.6 а).

Обозначим спектральную плотность мощности собственных шумов. Тогда алгоритм для коэффициента передачи оптимального фильтра запишем в виде

,

где - спектр ожидаемого сигнала.

Это соотношение можно представить так:

. (1.2)

Структура фильтра изображена на рис. 1.6.

Таким образом, подтверждается известная теория борьбы с пассивными помехами путем обеления коррелированных помех и с активными помехами - методами компенсации помех на входе пространственно-временного фильтра. Более того, при априорной неизвестности относительно параметров пассивных или активных помех структура фильтра стремиться к устройствам автокомпенсации помех.

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Рис. 1.6 Структура фильтра для приема сигнала на фоне комбинированных помех: а) - при воздействии комбинированных помех; б) - при воздействии только пассивных помех; в) - при обнаружение сигнала на фоне только собственного шума.

Это алгоритм защиты от комбинированных помех относится к второму способу. Еще один алгоритм представляет из себя следующее:

К настоящему времени сложились три модификации подсистем когерентной оптимальной обработки сигналов на фоне внешних точечных (локальных) активных помех:

а) с компенсацией помех на выходах элементов приемной антенны за счет использования в процессе их подавления так называемых обучающих выборок помеховых сигналов;

б) с компенсацией помех на выходах сформированных вспомогательных пространственных каналов с предварительной пеленгацией источников активных помех

в) с компенсацией помех на выходах вспомогательных пространственных каналов без предварительной пеленгации источников активных помех;

В настоящее время наибольшее распространение при защите РЛС от активных помех получил первый вариант построения помехозащиты, как наиболее простой и эффективный.

При реализации этого варианта защиты в оптимальном тракте на выходах элементов приемной антенны устанавливаются одноканальные или многоканальные автокомпенсационные системы с коэффициентами передачи, обеспечивающими подавление активных помех, принятых как боковыми, так главным лепестками ДН. Всю необходимую информацию о помеховой обстановке здесь получают из обучающих выборок в процессе оценки этой корреляционной матрицы либо ее отдельных элементов. Эти методы, называемые методами когерентной пространственной селекции, реализует отличия сигналов и помех в направлении прихода.

Диаграмма направленности вспомогательной (дополнительной) антенны перекрывает боковые лепестки диаграммы направленности основной антенны как показано на рисунке 1.7.

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Рисунок 1.7 - Диаграммы направленности основной и вспомогательной антенн.

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Рисунок 1.8 - К пояснению разности хода РЛС.

Как видно из рисунка 1.7 и рисунка 1.8, помеховые колебания, принятые боковыми лепестками основной антенны, коррелированны с помеховыми колебаниями, принятыми вспомогательной антенной, но отличаются друг от друга интенсивностью и начальной фазой , обусловленный разностью хода и вычисляют по формуле (1.3).

Для того чтобы обеспечить когерентное вычитание помехи, принятой вспомогательной антенной из помехи, принятой боковыми лепестками диаграммы направленности основной антенны необходимо предварительно обеспечить равенство этих помех по амплитуде и фазе.

(1.3)

где - расстояние между фазовыми центрами основной и вспомогательной антенн;

- направление максимума основной антенны;

- азимут источника помехи.

Проведем синтез структурной схемы одноканального корреляционного автокомпенсатора помех. С этой целью обозначим напряжение на входе основного канала как показано на рисунке 1.9, через , вспомогательного (дополнительного) - через , а напряжение на выходе сумматора - через .

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Рисунок 1.9 - К выводу уравнения автокомпенсатора

Синтез структурной схемы одноканального корреляционного автокомпенсатора помех вычисляется по формуле (1.4)

, (1.4)

где - комплексный коэффициент передачи помехи в компенсационном канале, обеспечивающий выравнивание помех основного и компенсационного каналов по амплитуде и фазе.

Напряжение сигнала основного канала представляет собой аддитивную смесь внутреннего шума, непрерывной активной помехи, принятой основным лепестком и боковыми лепестками, и полезного сигнала, принятого основным лепестком ДН с направления, отличного от направления прихода помехи. Напряжение сигнала дополнительного (компенсационного или вспомогательного) канала представляет собой аддитивную смесь внутреннего шума и непрерывной активной помехи. В силу слабой направленности антенны компенсационного канала напряжением эхо-сигнала в этом канале можно пренебречь.

Очевидно, что средний квадрат напряжения (дисперсия помехи) на выходе компенсатора имеет вид и вычисляется по формуле (1.5)

, (1.5)

Найдем экстремум полученного выражения, то есть выясним, при каком значении величина (дисперсия помехи на выходе автокомпенсатора) будет минимальной. Для этого, вычислив производную по формуле (1.6)

, (1.6)

Найдем экстремум полученного выражения который вычисляется по формуле (1.7)

, (1.7)

Примечание - Здесь и далее черта над выражением означает усреднение случайных процессов по ансамблю реализаций.

От сюда оптимальный комплексный коэффициент передачи компенсационного канала вычисляется по формуле (1.8) и равен

, (1.8)

где ? 1 - коэффициент взаимной корреляции помех основного и компенсационного каналов;

- среднеквадратическое значение помехи в основном канале;

- среднеквадратическое значение помехи в компенсационном канале;

- знак комплексного сопряжения.

На рисунке 1.10 представлен вид ИКО РЛС при действии на ее приемную антенну одного источника помех.

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Рисунок 1.10 - Вид ИКО РЛС при выключенном (а) и включенном (б) автокомпенсаторе помех.

Очевидно, что при включении автокомпенсатора, во-первых, происходит подавление помехи, принятой боковыми лепестками ДН, и во-вторых, происходит сужение сектора эффективного подавления в области основного лепестка.

В целом действие автокомпенсаторов эквивалентно автоматическому формированию в результирующей диаграмме направленности антенны РЛС провалов, число которых соответствует числу разрешаемых по углу помехоносителей.

При действии в зоне обнаружения РЛС n источников помех с ряда направлений необходимо иметь i ? n дополнительных антенн, чтобы антенна и антенны образовывали n провалов для источников активных помех.

Одноканальный (с одним вспомогательным каналом) автокомпенсатор способен подавлять активную помеху, действующую лишь с одного направления. При одновременном действии в зоне обнаружения РЛС нескольких источников помех с разных направлений, необходим многоканальный автокомпенсатор.

Следует заметить, что многоканальные автокомпенсаторы в случае действия нескольких источников помех имеют большое время настройки, поэтому в современных РЛС находят применение автокомпенсаторы с числом вспомогательных каналов не более пяти, либо применяются оптимальные автокомпенсаторы, в которых прямое обращение матрицы заменяют алгоритмом текущего ее оценивания вида как показано в формуле (1.9) или формуле (1.10) [2]

, (1.9)

. (1.10)

Устройство непрерывной оценки матрицы , реализующее алгоритм (1.10), представлено на рисунке 1.11. Зачерненными стрелками на рисунке показаны матричные связи.

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Рисунок 1.11 - Устройство непрерывной оценки матрицы

Здесь введен преобразованный вектор (1.11) в котором устранена взаимная корреляция сигналов компенсационных каналов.

, (1.11)

, (1.12)

где матрица (1.12) - представляет собой матрицу текущей оценки матрицы;

Т - определяет постоянную времени интегратора.

Необходимо подчеркнуть, что алгоритм (1.10) имеет и самостоятельное значение. Он может применяться в фазированной антенной решетки в качестве алгоритма компенсации помех. Такой алгоритм, с учетом его применения в ФАР, имеет вид формулы (1.13) или формулы (1.14)

, (1.13)

. (1.14)

В этом случае схема представленная на рисунке 1.11 преобразуется в схему адаптивной линейной ФАР представленную на рисунке 1.12, эквивалентную схеме, представленной на рисунке 20 [ 2 ]

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Рисунок 1.12 - Структурная схема адаптивной линейной ФАР

где - вектор комплексных амплитуд входного сигнала;

- результат пространственной обработки входного сигнала (результат компенсации активных помех и когерентного накопления сигналов по элементам ФАР);

- вектор ожидаемого амплитудно-фазового распределения, управляющий положением луча адаптивной ФАР в пространстве;

- угловая координата, соответствующая положению максимума ДН линейной ФАР.

Таким образом лучшим компенсатором активной составляющей комбинированных помех в пространственной области является адаптивная линейная ФАР.

В общем виде задача адаптивной обработки пассивной помехи во временной области сводится к обелению спектра помех в фильтре с адаптивно изменяющимися коэффициентами и последующему накоплению сигнала на частоте Доплера. Эффективность обработки определяется значением коэффициента улучшения отношения сигнал/помеха или вероятностными характеристиками обнаружения сигнала на выходе системы обработки. Коэффициенты оптимального адаптивного обеляющего фильтра определяются в результате выполнения достаточно сложных в вычислительном отношении операций оценки матрицы ковариации помех, ее разложения на произведение треугольных матриц и их обращения. Поскольку эти операции необходимо выполнять с высокой скоростью в реальном масштабе времени, будут предложены различные способы упрощения такой обработки.

Указанным сигналам и большей части видов помех РЛС а достаточной степени соответствует алгоритм обнаружения, основанный на сравнении с порогом С статистики Хотеллинга:

(1.15)

где - вектор принятых в данном элементе разрешения по дальности комплексных амплитуд смеси сигналов и помехи в N периодах пачки; - оценка эрмитовой матрицы ковариации помех; - знак комплексного сопряжения и транспонирования.

Представляя известным способом матрицу, обратную матрице ковариации, в виде произведения верхней и нижней треугольных матриц, получаем алгоритм

(1.16)

Записанный в данном виде алгоритм сводится к выполнению операций обеления спектра помех в адаптивном матричном фильтре (ОбФ - обеляющий фильтр) и некогерентному накоплению отфильтрованных сигналов. Структурная схема алгоритма (1.16) представлена на рисунке 1.13.

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Рисунок 1.13 - Структурная схема алгоритма ОбФ-некогерентное накопление.

При реализации вместо некогерентного накопления когерентного накопления прошедшего ОбФ сигналов, можно получить более высокие показатели обнаружения. Число каналов когерентного накопления определяется из соотношения и может быть существенно больше N. Здесь - периоды повторения импульсов пачки; - шаг вобуляции периода повторения.

По аналогии с (1.16) алгоритм обработки ОбФ когерентного накопления выглядит так:

(1.17)

где; - сигнал, обнаруживаемый в -м частотном канале.

Структурная схема алгоритма (1.17) представлена на рисунке 1.14.

В обработке (1.16), (1.17) наиболее труднореализуемым элементом является вычислительные матрицы коэффициентов ОбФ. Для этого необходимо выполнить ряд арифметических операций, по сложности реализации эквивалентных операциям умножения.

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Рисунок 1.14 - Структурная схема алгоритма ОбФ-когерентное накопление

Обеление спектра помех можно так же реализовать с помощью структуры адаптивного наращиваемого в -м периоде пачки до каскада решетчатого фильтра, в котором коэффициенты прямого и обратного отражения, ; и коэффициенты нормировки определяются по оценкам коэффициентов регрессии и мощности помех в ветвях фильтра. Структурная схема решетчатого фильтра представлена на рисунке 1.15. Число эквивалентных операций умножения в решетчатом фильтре заметно меньше чем в ОбФ - порядка .

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Рисунок 1.15 - Структурная схема решетчатого фильтра.

Существенное снижение вычислительных затрат может быть получено при использовании многоканальной по видам и параметрам помех обработки сигналов. Основным элементом такой обработки может быть адаптивный режекторный фильтр, вектор весовых коэффициентов W которого определяется как собственный вектор матрицы ковариации помех с наименьшим собственным значением. Модули W для разных значений коэффициента междупериодной корреляции помех в окне по дальности и гауссовской функции спектра рассчитываются заранее и хранятся в памяти. Потери, связанные с тем, что реальный спектр может описываться не гауссовой, а, например, дробно-рациональной функцией, имеют довольно небольшую величину.

Компенсация фазы пассивной помехи производится на входе режекторного фильтра путем оценки в окне по дальности фазового вектора очередного периода (- разность фаз пассивной помехи в -м и первом периоде пачки) и поворота на соответствующую фазу -го элемента вектора Х. На выходе режекторного фильтра производится нормировка квадратов модулей отсчетов к оценкам мощности помех в окне по дальности .

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Рисунок 1.16 - Структурная схема многоканального режекторного фильтра

Число операций умножения в одном режекторном фильтре N, что меньше, чем в ОбФ и решетчатом фильтре. Структурная схема многоканального режекторного фильтра представлена на рисунке 1.16.

Такую обработку можно использовать, например, для смеси пассивная плюс несинхронно-шумовая помеха. Каждый канал обработки представляет собой режекторный фильтр, веса которого оптимизированы для определенного числа и положения импульсов НШП. При этом измеряется значение p ПП и соответствующие ему веса выбираются из памяти. Число каналов m зависит от скважности НШП q: ({.} - округление до целого). Данное выражение можно получить, разбивая N импульсов пачки на блоки по импульсов и считая, что в каждом блоке может быть не более одного импульса НШП. В результате обработки выбирается канал с максимальным подавлением комбинированных помех (минимум, ). Для уменьшения числа ложных переключений на каналы с большими значения в критерий выбора канала вводится пороговая константа :

.

Здесь - мощность помех на выходе i-го канала, причем канал j настроен на большее значение , чем канал i.

При выборе i-го канала нормированные к мощности помех квадраты модулей отсчетов с выхода режекторного фильтра сравниваются с порогом С и принимается решение о наличие или отсутствие сигнала в данном элементе разрешения по дальности.

Заметим, что каналов с системе может быть уменьшено, если в РЛС имеются дополнительные средства измерения параметров помех [9, 10].

Третий способ защиты от комбинированных помех. Одним из путей решения проблемы защиты от комбинированных помех является использование частотных различий между активной и пассивной помехами, когда ширина спектра активной шумовой помехи (АШП) превышает ширину спектра эхо-сигнала (рисунок 1.17).

Рисунок 1.17 - Спектры помехи и эхо-сигнала.

В этом случае весовой коэффициент для компенсации АШП может вычисляться не на частоте эхо-сигнала , а по спектральным составляющим активной помехи , не совпадающим с сигналом. Это исключает влияние пассивной помехи и полезного сигнала на формирование весового коэффициента. Оценим качество подавления АШП при формировании весового коэффициента на частоте , отличной от частоты эхо-сигнала .

Рассмотрим двухэлементную антенную систему (рисунок 1.18).

Рисунок 1.18 - Двухэлементная антенная система.

Если на один из входов поступает помеха , то на втором входе эта помеха будет иметь вид , где - задержка сигнала, обусловленная разностью хода радиосигнала до приемных пунктов; - расстояния между антеннами; - направления на источник помех; - скорость распространения волнового фронта. Выходной сигнал антенной системы

, (1.18)

где , - коэффициенты усиления приемных трактов.

Подавление сигнала помехи на частоте , осуществляется при условии

, (1.19)

при этом суммарная мощность выходного шума на частоте определяется как:

, (1.20)

где - мощность активной помехи в канале; - мощность собственного шума приемного канала.

Используя (1.20), отношение коэффициента подавления АШП при настройке автокомпенсатора на частоту к коэффициенту подавления АШП при настройке автокомпенсатора на частоту может быть записано в виде

, (1.21)

При настройке автокомпенсатора на частоту (т.е. когда ) . Для случая отношение , т.е. возникают потери в качестве подавления АШП.

Схема устройства, осуществляющего подавление активной помехи на фоне пассивной, приведено на рисунке 1.19.

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Рисунок 1.19 - Устройство подавления активной помехи на фоне пассивной.

Фильтры сигнала Ф согласованы со спектром эхосигнала, в том числе и с пассивной помехой. Фильтры помехи Ф расстроены относительно спектра эхосигнала и пропускают только активную помеху. Дополнительный канал представляет собой автокомпенсатор АШП, настроенный на частоту , который вырабатывает сигнал управления для основного канала, настроенного на частоту .

Устройство работает следующим образом. Принятая основной антенной АШП проходит в дополнительном канале через фильтр помехи Ф и вычитающее устройство (ВУ) на коррелятор, на второй вход которого поступает АШП, принятая компенсационной антенной. Коррелятор вырабатывает весовой коэффициент взаимной корреляции АШП, принятых основной и компенсационной антеннами. Помеха, принятая компенсационной антенной, умножается на весовой коэффициент и поступает на вычитающее устройство, что обеспечивает ее подавление. Одновременно с этим АШП, принятая компенсационной антенной, проходит в основном канале через фильтр сигнала Ф, фазовращатель Фвр, умножается на весовой коэффициент, сформированный в корреляторе дополнительного канала, и поступает на ВУ, на второй вход которого приходит АШП, принятая основной антенной. В результате в ВУ основного канала обеспечивается компенсация АШП, действующей на частоте сигнала. Поскольку настройка автокомпенсатора осуществляется на частоте , отличной от частоты , это приводит к уменьшению коэффициента подавления АШП на частоте а соответствии с (1.21).