Способы комплексирования радиотехнических систем

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное  учреждение высшего профессионального  образования

«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ  
АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ»

КАФЕДРА №22

 
ОЦЕНКА ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

ПРЕПОДАВАТЕЛЬ

проф., д.т.н.				Охонский А.Г.
должность, уч. степень, звание		подпись, дата		инициалы, фамилия

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

Способы комплексирования РТС

по дисциплине: КОМПЛЕКСИРОВАНИЕ УСТРОЙСТВ НАВЕДЕНИЯ

РЕФЕРАТ ВЫПОЛНИЛ

СТУДЕНТ ГР.	2118м				Миронович И.А.
			подпись, дата		инициалы, фамилия

 

Санкт-Петербург 
2013

 

 

 

1. НЕОБХОДИМОСТЬ И ОСНОВНЫЕ СПОСОБЫ КОМПЛЕКСИРОВАНИЯ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

 

 НЕОБХОДИМОСТЬ КОМПЛЕКСИРОВАНИЯ  СИСТЕМ НАВИГАЦИИ

 

Одним из важных путей совершенствования  навигационного оборудования является создание комплексных систем навигации, в которых обрабатывается информация от нескольких измерителей, определяющих одни и те же либо функционально связанные навигационные параметры. В качестве измерителей в комплексную систему входят радиотехнические и нерадиотехнические датчики, такие как гироскопические, инерциальные аэродинамические, барометрические и др.

Необходимость в одновременном измерении одних  и тех же параметров с помощью  устройств и систем, работающих на различных физических принципах, обусловлена  тем, что каждый измеритель в отдельности  не удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к измерению этих параметров. Например, радиотехнические измерители, обеспечивая высокую  точность измерений, имеют ограниченную дальность действия, подвержены действию активных и пассивных помех, часто  обладают ограниченной пропускной способностью. В свою очередь, нерадиотехнические измерители, имеющие неограниченную дальность действия, не зависящие от влияния радиопомех и обладающие скрытностью работы, как правило, недостаточно точны по сравнению с радиотехническими, причем их ошибки с течением времени увеличиваются. По этой причине в современных комплексных системах навигации проводится совместная обработка информации, полученной от нескольких измерителей, то есть осуществляется комплексирование измерителей.

Увеличение  числа измерителей как однотипных, так и особенно разнотипных, основанных на различных физических принципах, улучшает тактические характеристики системы. Очевидно, что дублирование измерителей, определяющих одни и те же координаты или параметры движения, иначе говоря, структурная избыточность, повышает надежность системы, так как выход из строя отдельных измерителей не приводит к отказу в работе всей системы в целом. Объединение радиотехнических измерителей с нерадиотехническими повышает помехозащищенность системы, так как последние не подвержены действию радиопомех. Структурная избыточность, при которой одни и те же координаты или параметры движения измеряется несколькими устройствами, приводит к информационной избыточности, что позволяет получить больше полезной информации и путем статистической обработки данных уменьшить погрешность измерений и тем самым повысить точность действия системы.

Исходя  из этого, под комплексированием устройств обработки информации понимают их объединение в комплексную систему, осуществляющую совместную обработку информации и обеспечивающую повышение точности действия, помехозащищенности и надежности.

В простейших случаях на практике комплексирование измерителей осуществляется на основе взаимной компенсации и фильтрации ошибок.

 

СПОСОБ  КОМПЕНСАЦИИ

 

Рис.1

Возможность повышения точности измерения при  комплексировании измерителей можно  обнаружить на примере схемы, реализующей  способ компенсации погрешностей (рис.1). Измерители и оценивают один и тот же изменяющийся во времени параметр (координату) с ошибками и соответственно. После первого вычитающего устройства стоит фильтр Ф, который, используя априорную информацию о статистических характеристиках ошибок и , формирует оценку одной из них, например . Во втором вычитающем устройстве происходит компенсация ошибок, в результате чего окончательная погрешность может оказаться меньше исходной погрешности измерителя .

В рассматриваемом способе комплексирования сигналы на выходе измерителей представляются в виде

.

Пусть – спектр процесса , а – спектр случайной реализации . Вследствие линейности преобразования Фурье спектр процесса на выходе первого вычитающего устройства

.

Спектр  сигнала на выходе фильтра с частотным коэффициентом передачи представляется в виде

.

Наконец, на выходе второго вычитающего  устройства формируется процесс  , спектр которого вследствие свойства линейности преобразования Фурье

.

С учетом основного соотношения спектрального  метода выходной сигнал комплексной  системы

где первое слагаемое  , так как это – обратное преобразование Фурье функции , а второе слагаемое – результирующая ошибка измерения параметра . Дисперсия этой ошибки

,

где означает операцию комплексного сопряжения, а верхняя черта – операцию усреднения по времени. Несложные преобразования дают

                    

Как известно [4, стр.167}, спектры случайных  реализаций должны удовлетворять условию

,                                                                (1)

где – взаимный энергетический спектр процессов и ; – d-функция Дирака. С учетом (1) и фильтрующего свойства d-функции выражение для дисперсии результирующей ошибки приводится к виду

где – энергетический спектр процесса .

Наконец, учитывая, что для комплексной  функции  произведение , получаем окончательное выражение для дисперсии результирующей ошибки

.      (2)

Частотная характеристика фильтра  выбирается по критерию минимума среднеквадратической ошибки, то есть из условия минимума дисперсии ошибки (2). Можно показать, что если спектры и сосредоточены в различных частотных областях, то минимальное значение дисперсии (2) существенно меньше дисперсий погрешностей каждого измерителя. В частном случае, когда выполняются условия

,

выражение (2) приводится к простому виду

.                                                  (3)

В идеальном случае, когда  , а , причем интервалы и не перекрываются, можно обеспечить , то есть безошибочно воспроизвести процесс .

Действительно, из сути задачи следует, что частотная  характеристика фильтра  должна быть такой, чтобы в наибольшей степени подавлять процесс и в минимальной степени искажать процесс , обеспечивая тем самым . Отсюда следует, что . В этом случае  (3) запишется как

,

 

 

 

Рис.2

так как  вследствие того, что и принадлежат разным не перекрывающимся частотным интервалам и . Если выбрать , то, очевидно, . На рис.2 приведены графические иллюстрации для рассматриваемого случая.

На  практике спектры  и , как правило, перекрываются, что препятствует полному устранению ошибки . Однако, как это следует из теории, выигрыш в точности при комплексировании измерителей будет тем больше, чем больше различие у спектральных характеристик процессов и .

Отметим, что при использовании способа  компенсации в комплексных системах не возникают динамические ошибки, так как спектр ошибки системы  (3) не зависит от спектра , а значит, сама ошибка не зависит от . Поэтому на выбор параметров системы не влияет модель процесса , что является большим достоинством этого способа при отсутствии априорной информации относительно .

Системы, в которых ошибки не зависят от характеристик полезного процесса , называются инвариантными по отношению к . Следовательно, комплексная радиотехническая система, построенная по способу компенсации, инвариантна относительно измеряемого параметра. Необходимое условие реализации инвариантной системы – наличие в ней, по крайней мере, двух измерителей.

 

2. ОПТИЧЕСКАЯ ЛОКАЦИЯ

 

 ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОПТИЧЕСКОЙ ЛОКАЦИИ

 

Оптической  локационной системой (ОЛС) называется совокупность технических средств, позволяющих обнаруживать объекты и оценивать их координаты с помощью электромагнитных волн оптического диапазона (от до Гц или от 100 до 0,01 мкм). Так как в качестве излучателей в ОЛС используются, как правило, лазеры, то термины «оптическая локация» и «лазерная локация» являются синонимами.

По сравнению с другими  источниками света лазеры имеют  то преимущество, что излучаемое ими  электромагнитное поле обладает высокой  пространственно-временной когерентностью, что дает возможность формировать  узкие диаграммы направленности. Следствием этого является более  высокая, чем у РЛС, угловая разрешающая  способность и точность измерения  угловых координат. Узкая диаграмма  направленности (малое поле зрения) приемных оптических антенн позволяет  эффективно селектировать отражения от земли и местных предметов при работе с объектами, имеющими малый угол места, повышает помехоустойчивость ОЛС по отношению к преднамеренным помехам.

Переход в оптический диапазон дает также возможность повысить точность измерения дальности до цели и ее радиальной скорости. При  импульсном методе измерения дальности  это связано с возможностью излучения  импульсов наносекундной длительности с пиковой мощностью в сотни  и тысячи мегаватт. Высокая чувствительность доплеровских методов измерения  радиальной скорости связана с высокой  стабильностью частоты (временной  когерентностью) излучения лазеров.

Высокое пространственное разрешение, свойственное оптическим сигналам, позволяет успешнее, чем  в радиодиапазоне, распознавать наблюдаемые  объекты и формировать изображение  просматриваемого пространства.

ОЛС присущи следующие особенности, которые нужно учитывать при  выборе частотного диапазона проектируемой  локационной системы:

1. Характеристики ОЛС сильно  зависят от свойств среды, в которой происходит распространение лазерного излучения. Например, при работе ОЛС в приземном слое атмосферы дальность действия и точность измерения координат объекта определяется в основном метеоусловиями;

2. Вследствие узости диаграммы  направленности требуется большое  время для поиска цели по  угловым координатам.

3. Существующие ограничения по  частоте повторения импульсов,  вызванные теплофизическими особенностями  работы лазера, снижают темп обновления  получаемой от цели информации.

4. Квантовый характер электромагнитного  излучения уменьшает эффективность  обнаружения сигналов и измерения  их параметров вследствие как  внутренних и внешних шумов,  так и вероятностного характера  регистрации оптического излучения.

Основными областями применения ОЛС являются:

1. Геодезия, картография, строительное  и горное дело.

2. Траекторные измерения космических  объектов в системах Земля  – Космос и космических комплексах (сближение, стыковка).

3. Калибровка радиолокационных  измерителей.

4. Получение метеоинформации.

5. Управление оружием.

Рис.1

Часто ОЛС работают в комплексе с  другими системами, что позволяет  преодолеть ряд присущих им недостатков. Например, для наведения луча ОЛС  на цель применяют оптические или  телевизионные визиры, используют данные, полученные от РЛС или теплолокаторов.

Для ОЛС наиболее характерным  является активный режим, при котором  источник зондирующего сигнала и  приемник отраженного излучения  пространственно совмещены. Общая  структурная схема ОЛС приведена  на рис.1. В ее состав входят источник и приемник излучения, оптическая система, формирующая излучаемый в направлении  цели световой пучок и собирающая отраженное объектом излучение, система  обработки и наведения, осуществляющая оценивание координат цели и их автоматическое сопровождение. На рис.1 для обозначения оптических, электрических и механических связей использованы соответственно двойные, одинарные и штриховые линии.

Характеристики ОЛС во многом зависят от свойств среды, в которой происходит распространение  излучения, отражающей способности  объекта и уровня помех, которые  подразделяются на внешние и внутренние.

Излучаемые оптические сигналы, распространяясь через  атмосферу или другую среду, претерпевают изменения, которые обусловлены  тремя основными явлениями: поглощением, рассеянием и турбулентностью. Поглощение и рассеяние определяют среднее затухание оптического сигнала и относительно медленные флюктуации, вызванные изменением метеоусловий. С турбулентностью связаны быстрые изменения поля, имеющие место при любой погоде. Турбулентность делает характеристики среды распространения случайными, вследствие чего происходит расширение диаметра светового пучка; его амплитуда, фаза, поляризация и угол падения флюктуируют.

При взаимодействии оптического  сигнала с отражающей поверхностью цели возникает вторичное излучение, характер которого зависит от свойств  зондирующего луча и особенностей цели (состояние поверхности, характер движения). В зависимости от состояния отражающей поверхности различают зеркальное и диффузное отражения. При зеркальном отражении вторичное излучение формируется по законам геометрической оптики. Диффузное отражение формируется при размере шероховатостей поверхности, больших .

Для большинства реальных целей микроструктура поверхности  является случайной, поэтому рассеянное поверхностью излучение можно рассматривать  как результирующее поле, создаваемое  отражением падающего светового  потока от «блестящих» точек, случайно и независимо друг от друга расположенных  на облучаемой поверхности. Следствием этого является случайный характер отраженного сигнала. При прохождении  через турбулентную среду случайный  характер отраженного сигнала усиливается. Обычно при описании принимаемого оптического  сигнала используют модель нормального случайного поля.

Вместе с полезным сигналом на входе  оптической приемной системы присутствует световой фон (фоновая помеха), создаваемый рассеянным в атмосфере солнечным излучением, свечением звездного неба, а также излучением, отраженным от различных посторонних объектов, оказавшихся в поле зрения приемной системы ОЛС. Фоновая помеха представляет собой случайное гауссовское поле, которое полностью характеризуется средним значением и корреляционной функцией. Для оптических полей среднее значение напряженности поля , где r – радиус-вектор, определяющий положение точки в плоскости наблюдения; t – время. Вследствие этого корреляционная функция записывается в виде

,

где символ означает комплексное сопряжение. Случайнее поле считается стационарным и однородным, если

.

Так как фоновое излучение стационарно  и однородно, обладает чрезвычайно  широким спектром, а его пространственный радиус корреляции существенно меньше радиуса корреляции сигнального  поля, то корреляционная функция фоновой  помехи

,                                                           (1)

где – пространственно-временная спектральная плотность мощности.

При работе ОЛС в сильно замутненной среде (туман, вода) основным видом помехи является обратное рассеяние  излучения передатчика – помеха обратного рассеяния. Характер этой помехи зависит как от оптических характеристик среды, так и от параметров излучаемого сигнала.

Кроме внешних помех существуют и внутренние шумы, возникающие при  преобразовании оптического сигнала  в электрический. Связанный с ними ток, появляющийся на выходе преобразователя, при отсутствии светового сигнала на входе, называют темновым.

Часть отраженного от цели излучения вместе с внешними помехами попадает на входную  апертуру оптического приемного  устройства, где происходит его обработка.

 

 ОПТИМАЛЬНАЯ ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ В ОПТИЧЕСКИХ ЛОКАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ

 

Синтез алгоритмов оптимальной  обработки оптических сигналов, как  и сигналов радиодиапазона, основан  на использовании статистического  описания наблюдаемых полей. На апертуре приемной оптической системы моделью, отражающей реальные условия приема оптического сигнала, является нормальное случайное поле.

Полное статистическое описание нормального  случайного поля , наблюдаемого на апертуре в интервале времени , приводит к функционалу плотности вероятности

.                       (2)

Входящая в (2) обратная корреляционная функция  удовлетворяет уравнению

.

Описание фоновой помехи с корреляционной функцией (1) приводит функционал плотности вероятности (2) к виду

.                                                         (3)

Пространственно-временная  помеха, описываемая функционалом плотности  вероятности (3) называется белым светом.

Функционал плотности вероятности  для суммы  детерминированного оптического сигнала и фоновой помехи запишется как

.                                                 (4)

Оптический сигнал, имеющий максимальную степень детерминированности, представляет собой поле, известное с точностью  до случайной равномерно распределенной начальной фазы j

,                                                            (5)

где – полностью известная комплексная амплитуда поля на апертуре . Подставив (5) в (4) и выполнив усреднение по j, получим выражение для функционала плотности вероятности суммы :

,                      (6)

где – энергия сигнала¹; – модифицированная функция Бесселя нулевого порядка; – результат преобразования принятого излучения узкополосным светофильтром, настроенным на частоту сигнала .

Используя (6) и (3), можно записать выражение  для отношения правдоподобия:

.                                    (7)

Достаточной статистикой в (7) является величина . Решение о наличии сигнала на входе оптического приемника принимается при превышении некоторого заранее рассчитанного порога .

Рис.2

Схема устройства, реализующего данный алгоритм и называемого когерентным оптическим коррелятором, приведена на рис.2. Поступающий на входную апертуру 1 оптический сигнал пропускается через узкополосный светофильтр 2, настроенный на частоту . При этом осуществляется операция вычисления величины . Выходной сигнал светофильтра проходит через транспарант 3, коэффициент пропускания которого равен функции, комплексно сопряженной . Интенсивность света в фокусе линзы 4 в момент времени с точностью до постоянного множителя равна , то есть линза осуществляет операцию интегрирования по апертуре поступающего на нее оптического сигнала. Устройством, преобразующим интенсивность света в электрический сигнал, является фотодетектор 5. Выходной сигнал фотодетектора в момент времени сравнивается с заранее рассчитанным порогом в устройстве сравнения 6.

Полученная структура устройства оптимальной обработки отражает пространственно временной характер принимаемого сигнала. Временная (частотная) обработка реализуется с помощью  узкополосного светофильтра (временного согласованного фильтра), а пространственная – с помощью транспаранта (пространственного согласованного фильтра). Отметим, что если комплексная амплитуда сигнала на входной апертуре постоянна, то необходимость в транспаранте отпадает.

 

 

 

 

 

СПИСОК  ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ:

1. Ярлыков М.С. Статистическая теория радионавигации. – М.: Радио и связь, 1985.
2. Сосулин Ю.Г. Теоретические основы радиолокации и радионавигации. – М: Радио и связь, 1992.
3. Радиотехнические системы / Под ред. Ю.М. Казаринова. – М: Высшая школа, 1990.
4. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. – М.: Высшая школа, 2000.
5. Волохатюк В.А., Кочетков В.М., Красовский Р.Р. Вопросы оптической локации. – М.: Советское радио, 1971.
6. Радиотехнические системы / Под ред. Ю.М. Казаринова. – М.: Высшая школа, 1990.

 

 

¹ Для известного с точностью до начальной фазы сигнала энергия – известная величина.