Виртуальный прибор для исследования современных радиолокационных систем

Аннотация

 

В настоящей  дипломной работе разработан виртуальный  прибор, позволяющий проводить наблюдение процессов формирования и обработки  ЛЧМ сигнала.

Виртуальный прибор представляет собой реализованную  в пакете Lab View схему генерирования и приема ЛЧМ сигнала, который реализует оценивание параметров сигнала, действующего как в смеси с помехой, так и без нее.

         

1 Введение

 

Радиолокация  – область радиотехники, обеспечивающая обнаружение различных объектов, измерение координат и параметров движения.

Современные радиолокационные системы (РЛС) представляют собой, как  правило, сложнейшие радиотехнические комплексы, проектирование которых  является весьма сложной задачей. Источником радиолокационной информации является радиолокационный сигнал.

Система РЛС рассматривается как совокупность элементов, объединенных для решения определенных задач, прежде всего за счет управляемого взаимодействия элементов. РЛС состоит из ряда элементов (антенны, передатчика, приемника, устройства обработки данных), общей задачей которых является обнаружение целей и определение их местоположения с помощью электромагнитных волн.

  Передатчик РЛС вырабатывает высокочастотные колебания, которые модулируются по амплитуде, частоте или фазе. Эти колебания подаются в антенное устройство и образуют зондирующий сигнал.

Стоит отметить, что вырабатываемый передатчиком РЛС радиолокационный сигнал, сам по себе, никакой информации не несет, ее получают из принятого отраженного от цели сигнала, путем сравнения его с излученным. Так, амплитуда сигнала в некоторой степени характеризует размеры и отражающие свойства цели, время запаздывания относительно начала излучения зондирующего сигнала используется для измерения дальности, а частота колебаний благодаря эффекту Доплера несет информацию о радиальной скорости. Направление прихода электромагнитной волны указывает на угловые координаты цели.

Приемник РЛС  необходим для оптимального выделения  полезного сигнала из помех –  это первичная обработка сигнала. Выходное устройство служит для представления радиолокационной информации в необходимой потребителю форме. Если потребителем является человек, то используется визуальная индикация, если же потребителем является вычислительное устройство непрерывного действия, то выходным является устройство автоматического сопровождения цели по измеряемому параметру (дальность, угловые координаты, скорость), а полезная информация выдается в виде напряжений или токов, функционально связанных с этими параметрами. Если выходным устройством является ЭВМ, то радиолокационная информация преобразовывается в двоичный код, при этом в ЭВМ  происходит дальнейшая (вторичная) обработка сигнала.

В дипломной  работе разрабатывается компьютерная лабораторная работа по курсу «Радиотехнические  системы».

Моделирование на компьютере требует времени и затрат на оборудование, поэтому используем среду графического программирования LabView.

Среда разработки LabView (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) представляет собой среду прикладного графического программирования, используемую в качестве стандартного инструмента для проведения измерений, анализа их данных и последующего управления приборами и исследуемыми объектами. Компьютер, оснащенный управляющей аппаратной частью и LabView, позволяет полностью автоматизировать процесс исследований.

LabView – интегрированная среда разработчика для создания интерактивных программ сбора, обработки данных и управления периферийными устройствами. Программирование осуществляется на уровне функциональных блок-диаграмм. LabView – это среда разработки, которая использует графический язык программирования, уникального с точки зрения методов создания и хранения программного кода. В нем нет текстового кода как такового, есть диаграмма, отображающая потоки данных внутри программы. Используя данный графический язык можно увеличить производительность при создании программ без снижения скорости их выполнения.

LabView – единственная графическая среда программирования с компилятором, который генерирует оптимизированный код.

Сочетание графического языка программирования и современного компилятора позволяет значительно сократить время разработки сложных систем при сохранении скорости выполнения программ. Библиотеки современных алгоритмов обработки и анализа данных превращают LabView в универсальный инструмент создания интегрированных систем. Это довольно простая и интуитивно понятная система. Не являясь профессиональным программистом, за короткое время в LabView можно создать сложную программу для сбора данных и управления объектами.

 

 

2 Технико-экономическое обоснование темы

 

Развитие РЛС  происходит стремительно, но наряду с  новыми сверхширокополосными сигналами  продолжают использовать сложные сигналы  с большой базой. Среди них  наиболее распространенными являются фазоманипулированные и ЛЧМ сигналы.

В современном  мире они нашли широкое применение в технике РЛС. Так, например, группа ученых под руководством Г.В. Кисунько создали РЛС дальнего обнаружения для полигона «Дунай-2», в которой ЛЧМ предлагалось использовать не только для измерения дальности и разрешения по дальности, но и для обзора заданного сектора по азимуту. По существу, она является автоматической секторной РЛС дальнего обнаружения с непрерывным излучением ЛЧМ сигнала с сектором сканирования 51^o по азимуту и 48^o по углу места.  Уникальный широкополосный возбудитель ЛЧМ сигналов, вошедший в «Дунай-2» создали А.Н. Мусатов, Е.С. Абрамов, М.Е. Лейбман, В.А. Козырев на базе ферритового генератора с фазовым управлением через кварцевую линию задержки. [Новости ВКО http://old.vko.ru/article.asp?pr_sign=archive.2004.19.18,вестник ПВО http://pvo.guns.ru/abm/dunaj3u.htm].

В 2012 году в г. Смоленск, пос. Дубровенка в качестве радиолокатора, сопровождавшего групповой воздушный объект использовалась многофункциональная РЛС, размещенная на учебном полигоне. При сопровождении самолетов она поочередно работала в импульсном режиме масштаба 50 км с использованием радиоимпульса длительностью 50 мкс с линейной частотной модуляцией с девиацией частоты 900 кГц и скважностью 10.[«Журнал радиоэлектроники №6,2012» http://jre.cplire.ru/mac/jun12/12/text.html] 

На базе ЛЧМ сигналов проводятся лабораторные работы не только в нашем университете, но и в других технических ВУЗах страны, таких как: Санкт-Петербургский Государственный Университет Аэрокосмического Приборостроения, Нижегородский Государственный Технический Университет им. Р.Е. Алексеева, Московский государственный университет радиотехники, электроники и автоматики. В рамках настоящих лабораторных работ проводится исследование устройств, предназначенных для формирования и сжатия ЛЧМ сигнала, исследование основных параметров. 

В настоящее  время средств и времени на разработку выделяется немного, а затраты как правило всегда велики. Весомую роль заняла компьютерная техника. Компьютеры сравнительно недороги, не требуют больших затрат на обслуживание, а их возможности постоянно увеличиваются.

Наиболее эффективная  подготовка инженеров строится на объединении теоретического курса и практической подготовки. Это позволяет с помощью практических занятий закрепить полученные теоретические сведения. Но при этом существует противоречие. Как правило, теоретический курс постоянно совершенствуется в соответствии с прогрессом, а обеспечить такое же развитие практических занятий несколько сложнее. Нет возможности заменить дорогостоящий момент на более усовершенствованный, если произошли изменения в теоретическом курсе.

В некоторых  областях науки изменения происходят непрерывно и требуют немедленного изменения в практике. В данном случае оптимальным решение становится использование каких-либо программных продуктов компьютерной техники, которые способны моделировать реальные процессы с высокой точностью. В настоящее время разработаны программные продукты для решения практически любых задач.

Одним из популярных продуктов является графическая  среда разработки LabView. Она имеет неоспоримые преимущества – высокую производительность при разработке программ, широкий набор функциональных возможностей языка и среды программирования.

Разработчиком данного пакета является фирма National Instruments. Пакет может содержать различные утилиты, специализированные библиотеки, программные модули, но основной является графическая среда LabView. Продукты National Instruments используются в более ста учебных заведений России и странах СНГ.

Уже на протяжении многих лет среда LabView позволяет инженерам и ученым применять инновационные методы разработки масштабируемых приложений для задач тестирования, измерений и управления.

Полный пакет  ПО LabView с лицензией на использование для учебно-исследовательских целей на неограниченное количество компьютеров стоит 61 387,59 рублей. Учитывая массовые возможности применения данного продукта, относительный расход на каждую лабораторную работу окажется небольшим.

Среда разработки LabView позволяет сочетать программную и аппаратную реализацию отдельных частей макета. Целесообразней отказаться от аппаратной части, т.к. ее использование увеличивает время разработки и ее стоимости, т.к. для фронтального проведения лабораторных работ потребовалось бы около десятка макетов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 Составление технических условий

 

Исходные данные, указанные в задании на дипломную работу, являются основными в проектируемом устройстве, выбор параметров сигнала произведем на основе обзора литературы.

Устройство  должно обладать следующими параметрами: реализация в среде LabView в виде виртуального прибора (ВП), который должен использоваться в качестве лабораторного макета по курсу «Радиотехнические системы». ВП должен обеспечивать наблюдение процессов и измерение функции неопределенности, АКФ и характеристик сжатого сигнала. Максимальная база сигнала исследуемого ЛЧМ сигнала 1000.

Лабораторный макет (персональный компьютер) будет находиться в лаборатории при положительной температуре, нормальных давлении и влажности. При использовании температура воздуха должна быть в пределах от 18 до 25 ◦С, влажность воздуха 45-75 %, атмосферное давление 740-780 мм.рт.столба.

Конструктивные  требования определяются удобством  работы с лицевой панелью. Конструкция  лицевой панели определяется разрешением  экрана монитора компьютера. На лицевую  панель выведены все органы управления, а также необходимые осциллограммы.

Должна быть предусмотрена защита устройства от перепадов и падения напряжения в сети питания.

При нарушении стабильности сети питания из строя может выйти  блок питания компьютера. Во избежание  этого желательно иметь источник бесперебойного питания.

Если все будет учтено, то работа макета будет стабильной, а результаты исследования достаточно верными и близкими к теоретическим данным.

 

4 Теоретическая  часть

4.1 ЛЧМ  сигнал и его ФН

 

Использование в радиолокации сигналов с внутриимпульсной модуляцией позволяет  удовлетворить противоречивым требованиям к разрешающей способности и дальности действия РЛС. Одним из наиболее известных является импульсный сигнал с  внутриимпульсной линейной частотной модуляцией (ЛЧМ  сигнал).

Если  допустить, что огибающая импульса представляет собой прямоугольную функцию единичной амплитуды, то ЛЧМ сигнал описывается выражением [Кук, Бернфельд «Радиолокационные сигналы»]: 

 

,     - τ_и/2 < t < τ_и /2                                             (4.1.1)

 

 где   f₀ – центральная частота, Δf – девиация частоты сигнала, τ_и – длительность импульса. Частота такого сигнала в течение длительности импульса изменяется от f₀ – τ_и/2 до f₀ + τ_и/2. Произведение В = τ_иΔf называется базой сигнала.

Такой сигнал излучается передатчиком. Как правило, цель или сам радиолокатор движутся, поэтому отраженный сигнал будет отличаться от излучаемого на величину доплеровского сдвига частоты

  или     ,                                                                       (4.1.2)

где v_r — радиальная скорость; с — скорость света и f_д= ω_д/2π.

Для отраженного  сигнала, нормированного по амплитуде

                                                  (4.1.3)                                                        

Здесь τ- время запаздывания отраженного сигнала.

При этом  игнорируются некоторые эффекты  второго порядка связанные с влиянием движения на величину девиации частоты, однако это представление является очень хорошей аппроксимацией для значения произведения длительности на ширину спектра или коэффициента сжатия вплоть до значений 10 000.

Полная информация о сигнале заложена в его двумерной  автокорреляционной функции

                                                                               (4.1.4)

Для ЛЧМ сигнала двумерная автокорреляционная функция записывается как:

     - τ_и <t< τ_и.                                       (4.1.5)

Как видим, это высокочастотная функция  с огибающей вида . Частота высокочастотного заполнения зависит от скорости цели. Если цель не подвижна, f =f_д =0 и частота заполнения равна центральной частоте спектра ω₀ . Если цель движется, то частота заполнения изменяется на f_д /2 при сдвиге частоты входного сигнала f_д. Это можно объяснить изменением спектра сигнала, отраженного от движущейся цели. Если частотная характеристика согласованного фильтра близка к прямоугольной (рис.4.1.1.а), а спектр отраженного сигнала сместится на частоту ω_д (рис.4.1.1.б), то центральная частота спектра выходного сигнала будет равна ω₀ +ω_д/2 (рис.4.1.1.в). Кроме того, сужается ширина спектра ЧМ сигнала. Следовательно, с увеличением доплеровского сдвига частоты будет увеличиваться длительность сжатого импульса.       

 

Рис. 4.1.1 Спектр на выходе согласованного фильтра: а — АЧХ согласованного фильтра; б — сдвинутый по частоте спектр входного сигнала; в — результирующий спектр выходного сигнала.

 

Информацию  о координатах цели, содержащуюся в фазе высокочастотного колебания (ω₀ +ω_д/2)t извлечь практически невозможно, и вся информация содержится в огибающей автокорреляционной функции (АКФ). Огибающая двумерной АКФ называется функцией неопределенности

                                                                          (4.1.6)

Рельеф  ФН позволяет судить о свойствах  сигнала при его оптимальной обработке. Например, острота основного максимума свидетельствует о возможности точного измерения дальности (t_R) и скорости (V_r) или о разрешающей способности при наблюдении близко расположенных целей.

Наличие дополнительных максимумов рельефа  ФН указывает на возможную неоднозначность измерения или маскировку слабого отраженного сигнала «боковыми лепестками» функции неопределенности сильного сигнала. Наконец, постоянство объема ФН при фиксированном максимуме в начале координат говорит о том, что любое изменение вида зондирующего сигнала может только деформировать тело ФН, не меняя его объема [Бакулев П.А. «Радиолокационные системы»].

Наибольший  интерес представляют сечения функции  неопределенности вертикальной плоскостью f_д= f= const и горизонтальной плоскостью χ= const. Первое сечение совпадает с модулем огибающей сжатого импульса при соответствующем значении доплеровского сдвига частоты. При доплеровском сдвиге частоты, равном нулю, сечение является автокорреляционной функцией ЛЧМ сигнала

                                                                                        (4.1.7)

Это выражение справедливо для  сигналов с достаточно большой базой. При  малой базе форма спектра отличается от прямоугольной и форма сжатого  импульса отличается от . На рис.4.1.2. показано влияние базы В = τ_иΔf на вид огибающей сжатого импульса (автокорреляционной функции).

Рис. 4.1.2. Вид автокорреляционных функций ЛЧМ сигналов при ТΔf = 10 и ТΔf = 50

 

  Полоса нормирована, так что Δf равно единице.

Если доплеровский сдвиг частоты  отличен от нуля, то смещается момент достижения максимума  сжатым импульсом и ширина основного  пика увеличивается. На рис.4.1.3. показано влияние доплеровского сдвига частоты  на огибающую сжатого сигнала. Видим, что помимо смещения и расширения сжатого импульса уменьшается и его амплитуда.

Рис. 4.1.3. Влияние  частотного сдвига на сжатый сигнал.

 

Зависимость временного сдвига и амплитуды сжатого импульса от доплеровского сдвига частоты  показана на рис.4.1.4.

 
Рис. 4.1.4.  Характеристики выходного сигнала для фильтра, согласованного с ЛЧМ сигналом.

Для хорошее приближенное выражение для величины временного сдвига дает формула

                                                                                                  (4.1.8)

На рис. 4.1.5.  показаны сечения функции неопределенности,  иллюстрирующие  влияние доплеровского сдвига  на сжатый сигнал. Искажения АКФ  с изменением ω_d проявляются во временном сдвиге сжатого сигнала, уменьшении и расширении импульса.

Рис.4.1.5. Сечения функции неопределенности для ЛЧМ сигнала

 

Каждое  сечение функции отклика представляет собой выходной сигнал согласованного фильтра g(t, ω_d) для последовательно возрастающих значений ω_d причем любое сечение смещено по частоте на 10% полосы сигнала, а центральное сечение (т. е. ω_d = 0) представляет автокорреляционную функцию.

Сечение функции  неопределенности горизонтальной плоскостью на уровне 0,5 от максимального значения называется диаграммой неопределенности. Диаграмма неопределенности используется для оценки разрешающей способности радиолокационных сигналов. Разрешающая способность равна ширине диаграмм неопределенности и соответствующей координате. На рис.4.1.6  показаны для сравнения диаграммы неопределенности для импульса без внутриимпульсной модуляции длительностью τ (пунктирная линия) и ЛЧМ импульса той же длительности.

В связи с  частотной модуляцией  сигналов диаграммы неопределенности  повернуты и вытянуты относительно соответствующих тел рассогласования, и поэтому обладают только центральной симметрией 

ρ(-τ,-f)=ρ(-τ,-f) , а симметрией относительно плоскостей f=0,τ=0 не обладают. При df/dt>0 – имеет место поворот тела рассогласования хода против стрелки, а при df/dt<0 – по ходу часовой стрелки.

 

 

 

Рис.4.1.6. Диаграммы неопределенности

 

Кроме того, протяженность  тела рассогласования в плоскости f=0 при B>>1 оказывается существенно меньше длительности ЛЧМ сигнала. Наблюдается эффект сжатия сигнала.

Чем шире спектр, тем больше число независимых  гармонических составляющих суммируется  в вазе при  тем уже пик радиоимпульса на выходе согласованного фильтра. Поскольку отклики согласованного фильтра характеризуются сечениями f=const тел рассогласования, то этот же вывод непосредственно следует из геометрической структуры рассматриваемых тел.

Чем больше сужено вертикальное сечение тела неопределенности ЛЧМ сигнала по отношению к вертикальному сечению немодулированного сигнала, тем больше база сигнала В = τ_иΔf.

Форма сжатого  радиоимпульса при f = 0 определяется исключительно амплитудно-частотным спектром входного сигнала. Фазочастотный спектр при отсутствии рассогласования (доплеровского, частности) полностью компенсируется фазочастотной характеристикой фильтра и не влияет на форму выходного сигнала. В силу принципа наложения (суперпозиции) воздействий, справедливого для линейных систем, сжатые радиоимпульсы могут не перекрываться при перекрытии  ЧМ радиоимпульса на входе фильтра. Это эффект тем существеннее, чем больше база. Разрешающая способность по времени запаздывания определяется, таким образом, не длительностью сигнала, а величиной, обратной ширине его амплитудно-частотного спектра.

Последнее относится  не только к согласованной фильтрации, но и к любой другой согласованной обработке, в частности к корреляционной обработке на основе многоканальных корреляционных устройств. Сечения f=0 этих тел определяются преобразованием Фурье квадрата  амплитудно-частотного спектра сигнала.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.2 Формирование и обработка ЛЧМ сигнала

 

Существуют  два основных метода формирования ЛЧМ  сигналов. Первый из них называется методом активного формирования сигнала, так как основан на использовании управляемого по частоте генератора, управляющее напряжение для которого обеспечивает генератор соответствующей модулирующей функции. Второй известен под названием пассивного метода формирования частотно-модулированного сигнала, когда ЛЧМ импульс получается на выходе дисперсионной линии задержки при подаче на ее вход очень короткого импульса.

    

                                       б)

Рис.4.2.1. Блок-схемы активного формирования ЛЧМ сигналов:

а - частотная  модуляция; б - фазовая модуляция.

 

На рис. 4.2.1 показаны две схемы для активного формирования ЛЧМ сигнала. Частота управляемого напряжением генератора на рис. 4.2.1, а) пропорциональна напряжению на управляющем элементе генератора, так что линейное нарастание напряжения будет по необходимости вызывать линейное возрастание частоты во времени. В такой схеме применен генератор с самовозбуждением, имеющий соответствующий блок стробирования. Если необходимо получить линейную ЧМ без искажений, то изменение частоты в генераторе может быть ограничено наиболее линейной частью характеристики частота - напряжение. При необходимости иметь большие значения девиации частоты можно использовать умножитель. В генераторах такого типа могут применяться модуляторы с реактивной лампой, клистроны, ЛОВ и т. д.

На рис. 4.2.1, б) представлен второй возможный вариант схемы активного формирования, в котором частота управляемого генератора пропорциональна производной напряжения на управляющем элементе. Таким образом, для того чтобы получить линейное нарастание частоты во времени, необходим параболический или квадратичный закон изменения напряжения.

На  рис. 4.2.2 показаны выделенные в отдельные блоки основные элементы схемы пассивного формирования сигналов, позволяющей осуществлять сжатие импульса с помощью согласованного фильтра. Фильтр растяжения имеет дисперсионную характеристику задержки, так что когда он возбуждается коротким импульсом, то в результате на выходе фильтра появляется растянутый импульс.

 

Рис. 4.2.2. Иллюстрация метода сопряженных фильтров.

 

         На практике растянутому импульсу в дальнейшем следует придать более прямоугольную форму с помощью ограничения и стробирования, и в результате спектр сигнале на выходе передатчика будет практически неотличим от спектра, полученного с помощью активной схемы.

На  рис. 4.2.3 приведен пример практической реализации радиолокационной системы, содержащей сопряженные согласованные фильтры. Система основана на преобразовании сигнала, имеющего нечетно-симметричную функцию частотной модуляции, в сигнал, представляющий собой его временною инверсию. Осуществляется это с помощью пропускания сигнала через смеситель, в котором выходная цепь настроена на разностную боковую полосу, а не на суммарную. Симметричная инверсия модуляции имеет место в том случае, если частота напряжения местного гетеродина, подаваемого в смеситель, превышает любую частотную компоненту входного сигнала. Так как такой метод приводит к появлению в приемнике сопряженной временной функции, то фильтры, осуществляющие растяжение и сжатие сигнала, могут иметь идентичные характеристики, что позволяет избежать разработки двух различных фильтров.

Рис. 4.2.3. РЛС с согласованными фильтрами, использующая инверсию полосы частот.

 

Фильтр  сжатия ЛЧМ сигнала является согласованным  фильтром. Известно, что комплексная  ЧХ согласованного фильтра должна быть комплексно-сопряженной спектру сигнала:

H (jω) =S* (jω).

А импульсная характеристика

h(t)=S(t₀ - t)

Спектр  ЛЧМ сигнала зависит от его  базы τ_иΔf. Амплитудный спектр с увеличением τ_иΔf стремится к прямоугольному (рис.4.2.4). Фазовый спектр содержит квадратурную составляющую и остаточный фазовый сдвиг Ф₂(ω). Остаточный фазовый член Ф₂ получил такое название потому, что в общем случае при построении согласованного фильтра он опускается. Как видно из рис.4.2.4 в области частот Ф₂ может быть приближенно заменен постоянным фазовым углом, равным π/4.

                                                                                Фаза   Ф₂

 

Puc. 4.2.4. Спектр ЛЧМ сигналов при отбрасывании квадратичного фазового члена.

 

Итак, для большой базы согласованный фильтр ЛЧМ сигнала имеет прямоугольную и квадратичную фазовую характеристику

                                                                                       (4.2.1)

или функцию изменения временной задержки

                                                                                     (4.2.2)

Для получения реализуемой задержки к величине, определяемой равенством (4.2.2), необходимо добавить фиксированную постоянную величину, так чтобы в основной части полосы пропускания были только положительные временные задержки .  Таким  образом,

                                     (4.2.3)

На  рис. 4.2.5. показаны АЧХ фильтра и  зависимость группового времени задержки от частоты.

Рис.4.2.5 Реализуемые характеристики фильтра, согласованного с ЛЧМ сигналом.

 

На  рис. 4.2.6, показано, что сжатый сигнал задержан относительно заднего фронта ЛЧМ сигнала на величину τ₀. Форма сжатого сигнала близка к (sin x)/x.

Рис. 4.2.6. Сжатие  ЛЧМ сигналов в согласованном  фильтре:

а—ЛЧМ сигнал на входе;  б—сигнал на выходе   согласованного фильтра; в—сигнал на выходе   согласованного фильтра растянутый по временной оси.

При сжатии сигнала  увеличивается и отношение сигнал/шум. Отношение пиковой  мощности сигнала к мощности шума, выраженное через энергию сигнала, равно

       (4.2.4)

                                                                                                   

Здесь величина 2E/N0 равна отношению сигнал/шум по мощности на выходе фильтра согласованного с шириной спектра ЛЧМ сигнала, т.е. на входе сжимающего фильтра. Следовательно, при сжатии ЛЧМ сигнала отношение сигнал/шум увеличивается в базу раз.

Во  многих практических случаях наличие больших боковых лепестков по дальности у выходного сигнала ЛЧМ фильтра ограничивает возможности радиолокатора по разрешению большого числа целей при каком-либо значительном динамическом диапазоне. В этих случаях к согласованному фильтру добавляется схема рассогласования для уменьшения боковых лепестков (рис. 4.2.7).