Автор работы: Пользователь скрыл имя, 09 Января 2015 в 02:56, реферат
Исследования и разработки в области автоматической обработки цифровой информации в радиолокационных системах имели и имеют большой интерес. Это обусловлено тем, что при решении задач управления движением и противовоздушной обороны поступающая в быстром темпе от обзорных радиолокационных систем высокоточная информация должна быть в последующем соответствующим образом обработана.
Обнаружение движущихся целей (ОДЦ) обеспечивает подавление мешающих отражений лучше, чем при использовании только СДЦ или ИДО. Для этой операции необходимы карта мешающих отражений и банк фильтров с конечными (по длительности) импульсными характеристиками (КИХ), каждый из которых рассчитан на оптимальное отношение сигнала к сумме составляющих шума и мешающих отражений. Использование карты мешающих отражений позволяет обнаруживать цели с нулевым доплеровским сдвигом и определять пороговые значения для каждого элемента разрешения по дальности и азимуту.
Схема стабилизации частоты ложных тревог поддерживает на постоянном уровне частоту ложных тревог, обусловленных шумом приемника, подстилающим фоном или мешающими отражениями. Эта схема должна исключить возможность перегрузки РЛС и (или) пользователя. Схема измеряет средний уровень шума или мешающих отражений в ряде элементов разрешения по дальности, доплеровскому сдвигу и (или) азимуту, что позволяет правильно определить значение порога обнаружения.
Рис. 1.4. Операции, выполняемые при приеме радиолокационных сигналов.
Устройство выделения данных. Это устройство обеспечивает измерение дальности, углов (азимута и угла места), радиальной скорости, а иногда и сигнатуры цели. В общем случае обнаружение цели может быть зафиксировано в нескольких смежных элементах разрешения по дальности, доплеровской частоте и углам. Геометрический центр соответствующих элементов (называемый в дальнейшем отметкой цели — plot) определяет оценку измерений параметров цели.
Процессор данных. Все операции, перечисленные во введении, выполняются в процессоре данных, который представляет собой предмет данной книги и подробно рассмотрен далее. Важно подчеркнуть, что в последовательно соединенных процессоре сигналов, устройстве выделения данных и процессоре данных (рис. 1.4) происходит сжатие полосы частот сигнала. На вход поступают данные с высокой частотой (например, полоса частот радиолокационного сигнала может составлять 10 МГц), а затем по мере обработки скорость потока данных становится сравнительно небольшой (например, несколько герц). Эта особенность иллюстрируется на рис. 1.4 путем уменьшения ширины стрелок, последовательно соединяющих процессоры.
По мере прохождения информации через указанные на рис. 1.4 устройства происходит постепенное различение полезных и мешающих сигналов в результате поэтапного процесса принятия решений. При обработке информация последовательно приводится к виду, облегчающему пользователю принятие решений. Так, необработанный видеосигнал содержит много ложных составляющих, обусловленных отражениями. Устройство выделения данных локализует цель, а процессор данных распознает цель (которой может быть присвоен кодовый номер), определяет скорость цели и другие параметры, которые в табличном виде выдаются на индикатор.
Следует отметить еще одно обстоятельство — увеличение интервала времени, в течение которого в различных процессорах обрабатывается сигнал. В процессоре сигналов это длительность нескольких импульсов, в устройстве выделения данных—смежных групп импульсов и, наконец, в процессоре данных этот интервал равен длительности нескольких циклов обзора РЛС. Иными словами, объем памяти процессоров, изображенных на рис. 1.4, увеличивается в направлении слева направо.
Пользователь. На выходе РЛС, как правило, устанавливается индикатор, позволяющий визуализировать информацию, содержащуюся в эхосигналах, и представить ее оператору в форме, удобной для интерпретации и принятия решений. Кроме того, к РЛС может быть подключена линия связи для передачи данных на центральную станцию или ЭВМ для дальнейшей обработки. Информация, выдаваемая на индикатор, называется «синтетической» в отличие от «сырой» информации, которая появилась бы на индикаторе при подключении непосредственно к выходу приемника. На индикаторе кругового обзора (ИКО) — наиболее распространенном типе индикаторов — отображаются дальность и азимут обнаруженной цели. На современных радиолокационных индикаторах отображаются также алфавитно-цифровые знаки и символы, позволяющие получить дополнительную информацию. Они могут быть использованы для отображения высоты и результатов опознавания цели.
Трасса сопровождаемой цели может быть отображена в виде отрезка линии на синтетическом индикаторе. При этом наклон отрезка определяется направлением полета цели, а его длина — скоростью цели. В такого типа современных индикаторах для генерирования графической информации и управления электроннолучевой трубкой применяется ЭВМ. Это обеспечивает высокую гибкость при выборе масштаба дальности, отображения информации со смещенным центром, увеличении выбранной зоны, воспроизведении взлетно-посадочной полосы аэропорта и подходов воздушных трасс, карт отражений от местных предметов, планов полетов и т. д. Оператор может взаимодействовать с ЭВМ в интерактивном режиме с помощью клавиатуры, световой ручки или курсора. В некоторых случаях рядом с основным индикатором может быть установлен дополнительный дисплей, на который выводится информация в табличной форме. Это позволяет разгрузить основной индикатор.
Контроллер. Это устройство декодирует команды оператора и устанавливает заданные режимы работы, синхронизирует функционирование системы, включая обработку принимаемых сигналов по дальности, азимуту и углу места. Кроме того, это устройство анализирует сигналы и выявляет ложные обнаружения. Как правило, контроллер реализуется в виде пакета прикладных программ для ЭВМ общего назначения, размеры и производительность которой зависят от решаемых РЛС задач и числа контролируемых параметров РЛС.
В данном подразделе показано, каким образом РЛС с механическим сканированием веерного луча обеспечивает определение траектории цели и прогнозирование ее положения в будущем. Такие системы называются РЛС с сопровождением в режиме обзора.
При каждом облучении измеряются координаты цели и ее положение отображается на ИКО. Идея сопровождения становится очевидной при наложении нескольких последовательных разверток ИКО друг на друга; в результате на экране появляется последовательность равноудаленных отметок.
Раньше оператор вручную отмечал карандашом на экране ИКО положение цели при каждом цикле обзора. Процедура была очень простой, однако неточной, и, кроме того, оператор мог отслеживать лишь небольшое число целей. Преодолеть эти ограничения, свойственные оператору, стало возможным благодаря применению ЭВМ, автоматически выполняющей весь процесс сопровождения.
Для разработки автоматической процедуры сопровождения одной и более целей следует рассмотреть физические свойства последовательности отметок, выдаваемых обзорной РЛС. Чем лучше будут изучены свойства этой последовательности, тем с более высоким качеством устройство сопровождения сможет различать истинные и ложные отметки. Ложные отметки обусловлены влиянием отражений от местных предметов, преднамеренных помех и внутреннего шума системы, которые не были устранены при обработке в процессоре сигналов. Периодичность отметок целей обусловлена скоростью движения целей и может изменяться во времени, если цель маневрирует. Если целью является летательный аппарат, то его скорость может быть ограничена верхним и нижним пределами. Кроме того, возможные траектории летательного аппарата могут быть ограничены введением верхних предельных значений ускорения. При оценке кажущегося местоположения цели остаются некоторые неопределенности, обусловленные неточностью устройства выделения отметок, которые называются «шумом отметок».
Рассмотрим принципы функционирования системы сопровождения. Работа системы сопровождения может быть представлена в виде следующих этапов:
Последовательность основных этапов сопровождения показана на рис. 1.5.
Рис. 1.5. Последовательность операций при сопровождении целей.
Прежде всего должна быть сформирована траектория (этап завязки траектории). Оценка начального кинематического положения цели (координат и скорости) может быть получена по двум последовательным циклам зондирования цели. Скорость цели определяется по изменению ее положения в течение обзора. Такой простой метод при наличии ложных отметок недостаточно надежен. В этом случае надо использовать отметки, получаемые в большем числе циклов обзора, и учитывать при формировании траектории только те последовательности отметок, которые соответствуют предполагаемому поведению целей.
На следующем цикле обзора необходимо выделить сигнал, отраженный от той же цели, и привязать его к траектории этой цели (путем использования логики установления корреляционных связей между отметкой и траекторией цели). Свойства цели учитываются следующим образом. Предположим сначала, что цель движется с постоянной скоростью; тогда координаты цели в момент следующего цикла обзора могут быть вычислены (с помощью экстраполяции траектории) по текущим координатам и скорости движения. Однако исходные данные могут быть не совсем точными и, кроме того, элемент случайности вносится шумом отметки. Поэтому при поиске цели в очередном цикле обзора надо учесть возможные ошибки. Для этого формируется поисковый строб, центр которого имеет координаты предполагаемого местоположения цели. Отметка, обнаруженная в пределах строба, считается принадлежащей траектории. Размеры поискового строба определяются оценками ошибок измерения координат и скорости, а также уровнем шума отметок. Поисковый строб должен иметь достаточно большие размеры, чтобы сигнал, отраженный от цели в следующем цикле обзора, попал в него с высокой вероятностью. В то же время он должен иметь как можно меньшие размеры, поскольку при наличии ложных отметок в строб больших размеров их будет попадать больше. Это усложнит процесс продолжения траектории, так как если в строб попадает более одной отметки, то возникает необходимость решения задачи селекции отметки, действительно принадлежащей траектории.
Рассмотренный метод применим лишь в случае неманеврирующих целей. Однако он может быть распространен и на случай сопровождения маневрирующих целей. При этом вводятся определенные ограничения на возможные маневры цели. В простейшем случае задается значение максимального ускорения. Для учета возможных маневров цели формируется так называемый «строб маневра» вокруг предполагаемого местонахождения цели, в который должна попасть цель в следующем цикле обзора (при этом не принимаются во внимание ошибки измерения координат и шум отметок). Таким образом, имеются два источника рассогласования экстраполированного и истинного положения цели в следующем цикле обзора: ошибки измерения координат и шум; ошибки, обусловленные маневрированием цели. Общий поисковый строб формируется с учетом наибольшего рассогласования, обусловленного ошибками от обоих источников— грубо говоря, результирующий строб «складывается» из строба шума (т.е. поисковой области для неманеврирующей цели) и строба маневра.
Предположим, принято решение о том, что следующая отметка цели принадлежит сопровождаемой траектории. После этого необходимо обновить и скорректировать оценки координат и скорости цели с учетом вновь полученной отметки (этап фильтрации траектории). Данная операция выполняется с помощью цифрового фильтра, в котором вычисляется ошибка между измеренным и экстраполированным положениями отметки цели, а на выходе формируются значения сглаженных координат и скорости. Эти параметры сглаженной траектории вычисляются путем корректировки экстраполированных координат и скорости цели с использованием коэффициентов, пропорциональных ошибкам экстраполяции координат, полученным на предыдущем цикле обзора.
Проиллюстрируем принципы построения алгоритмов цифрового фильтра на примере так называемого «α—Р = алгоритма». Этот алгоритм обеспечивает как сглаживание, так и экстраполяцию траектории. Он относится к алгоритмам рекурсивного типа, т. е. текущее значение оценки формируется на основе оценки, полученной на предыдущем шаге, и результата текущего измерения. С помощью алгоритма вычисляются три декартовы координаты положения цели х, у, z. Для координаты х могут быть записаны следующие уравнения (уравнения для координат у и z аналогичны):
(1.2)
где хр(к) — экстраполированная координата на k-м цикле обзора; xs (к) — координата на выходе фильтра (сглаженная); xm(k) — измеренная координата; xs (к) — значение скорости на выходе фильтра; хр (k +1) — значение экстраполированной скорости на (к+1)-м цикле обзора РЛС; Т — период обзора РЛС; ос, Р— весовые коэффициенты фильтра.
С помощью уравнений (1.1) и (1.2) осуществляется сглаживание координат и скорости, а с помощью уравнений (1.3) и (1.4) — экстраполяция.
Степень сглаживания определяется значениями коэффициентов α и р. Если эти значения равны единице, то сглаженные координаты и скорость в значительной степени
Рис. 1.6. Процесс сглаживания и экстраполяции на интервале первых трех циклов обзора РЛС
определяются результатами текущих измерений (полученной отметкой цели). С другой стороны, если α и Р равны нулю, то доминируют экстраполированные данные. Существует хорошо разработанная теория выбора коэффициентов α и Р для каждого последующего цикла обзора, позволяющая минимизировать ошибки оценки координат и скорости цели.