Автор неизвестен - Сборник научных трудов 3-го международного радиоэлектронного форума прикладная радиоэлектроника - страница 8

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37  38  39  40  41  42  43  44  45  46  47  48  49  50  51  52  53  54  55  56  57  58  59  60  61  62  63  64  65  66  67  68  69  70  71  72  73  74  75  76  77  78  79  80  81  82  83  84  85  86  87  88  89  90  91  92  93  94  95  96  97  98  99  100  101  102  103  104  105  106  107  108  109  110  111  112  113  114  115  116  117 

Многим странам СДРЛО нужны для решения таких небоевых задач, как контроль воздушного пространства над приграничными и удалёнными районами, информационное обеспечение УВД; важны приемлемые экономические показатели СДРЛО, надёжное об­наружение и опознавание всех целей. Для решения подобных задач когерентно-импульсные БРЛС в режиме НЧПИ могут быть весьма перспективны.

Большой эффект от введения КИ систем СДЦ (в неосновном режиме НЧПИ) может быть достигнут в БРЛС класса AN/APY-1/2. Их эффективность в ИД режиме резко падает уже при незначительном - на 5 дБ - повышении уровня бокового приёма, например из-за старения материала обтекателя антенны, к чему КИ системы совершенно не чувствитель­ны.

Литература

1. М. Сколник. Введение в технику радиолокационных систем. Пер. с англ.// М.,

«Мир», 1965 (McGraw HILL ВС, 1962).

2. R.Furlong. Can NATO afford AWACS? // International Defense Review, 1975, vol. 8, No. 5. Geneva: Interavia, 1975. P. 667-677.

3. N. Cherikow. Moss - AWACS with a Red Star. //International Defense Review, 1975, vol. 8, No. 5. Geneva: Interavia, 1975. P. 677-678.

4. Справочник по радиолокации. Под ред. М.Сколника. Т. 3. Пер. с англ.// М., «Сов.

радио», 1979 (McGRAW HILL, 1970).

5. У.Лонг, К.Харригер. РЛС AN|APG-66 со средней ЧПИ. Пер. с англ.// ТИИЭР, 1985, т. 73, №2. М.: «Мир», 1985. С. 150 - 164.

6. Дж. Кларк. Радиолокационные системы авиационных комплексов дальнего обна­ружения. Пер. с англ.// ТИИЭР, 1985, т. 73, № 2. М.: Мир.- С. 164 - 181.

7. В.В. Литвинов. «Самолёты дальнего радиолокационного обнаружения: проблема выбора основных решений».// Наука i оборона. 1994, № 3.- Киев: Варта, 1994. С. 3-9.

8. В.В. Литвинов, «Потенциальная и реальная эффективность когерентно-импульсных систем СДЦ в обзорных РЛС при однозначном измерении дальности» // Ра­диотехника. 1996.- № 100.- Харьков: ХГТУ РЭ, 1996. С. 158 - 173.

9. В.В. Литвинов. "Принципы компенсации движения антенн при селекции движу­щихся целей в самолётных РЛС" // Труды 2-й международной конференции "Теория и техника антенн". 1997 г. - Киев: Нац. техн. университет "КПИ", 1997. С. 82-85 (англ.).

10. В.В. Литвинов, В.В. Жирнов. "Проблема ангел-эхо и цифровые картинные тех­нологии обработки радиолокационных сигналов и информации" // Труды IV междуна­родной конференции "Радиолокация, навигация и связь", Воронеж 26-28 мая 1998 г., т. 2.

Воронеж, 1998. -С. 795-800.

СРРСН'2008

I-чЛ - 60

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СПЕКТРЫ МЕТЕООБРАЗОВАНИЙ В МОДЕРНИЗИРОВАННОМ

МЕТЕОРАДИОЛОКАТОРЕ МРЛ-5

Ефремов В.С.1, Велегжанин И.С.1, Вовшин Б.М.2, Лаврукевич В.В.2, Леховицкий Д.И.3 1)ОАО "НПО "Лианозовский электромеханический завод" Дмитровское шоссе 110, 127411, Москва, Российская Федерация. Тел. (+7-495)-485-51-33; E-mail: ISV1980@yandex.ru ; 2)ООО "Центр научно-технических исследований "ЭЛЕРОН" Просп. Зеленый 6/2, 111141, Москва, Российская Федерация. Тел./Факс (+7-495) 368-30-40, E-mail: nti@eleron.net; vladimir@eleron.net ; 3)Харьковский Национальный университет радиоэлектроники Просп. Ленина. 14, 61166, Харьков, Украина. Тел. (+38 057) 702-17-35; 702-11-38, E-mail: akad@kture.kharkov.ua; Results of experimental investigations into Doppler meteorological radars with new methods of spectral analysis are considered.

Введение. До настоящего времени в странах СНГ наиболее распространены им­пульсные метеорадиолокаторы семейства МРЛ-(1-5), разработанные и изготовленные в СССР. Эти некогерентные МРЛ извлекают только амплитудную информацию о метеооб­разованиях (МО), облучаемых простыми (МОНО) сигналами с высокой импульсной мощностью. Вместе с тем службам метеопрогноза требуется информация и о средней ра­диальной скорости и турбулентности МО в заданных элементах разрешения анализируе­мой зоны пространства, содержащаяся, в частности, в средней доплеровской частоте и ширине спектра междупериодных флуктуаций МО. Для определения этих параметров МО требуются доплеровские МРЛ (ДМРЛ) с когерентным передатчиком и квадратурной обработкой на прием.

В связи с этим в процессе разработки первого в СНГ доплеровского МРЛ для про­верки основных принципов его построения в канал S диапазона МРЛ-5 была встроена когерентная приемо-передающая аппаратура РЛС «Лира-А10». Для определения пара­метров междупериодных флуктуаций МО наряду с традиционным для МРЛ спектраль­ным анализом (СА) на основе классического дискретного преобразования Фурье (ДПФ) впервые использовались специальные версии [1] т. н. "сверхразрешающих" методов СА [1-4]. Важной задачей эксперимента была также проверка возможности работы МРЛ со сложным (нелинейно частотно-модулированным (НЧМ) сигналом), позволяющим суще­ственно (примерно в базу раз) снизить пиковую импульсную мощность передатчика по сравнению со штатным режимом при сохранении дальности обнаружения МО и разре­шающей способности МРЛ по дальности.

1. Условия и методика эксперимента. Схема эксперимента на МРЛ-5 ГГО им. Во­ейкова (г. Санкт-Петербург) показана на рис. 1.

Технические параметры встроенной аппаратуры «Лира-А10»:

- генерируемая импульсная мощность - Pjj < 7 кВт;

- чувствительность приемного устройства в полосе AfC ~ 0.5МГц - (- 142дБ/Вт);

- длительность НЧМ сигнала - ти = 64 мкс;

- девиация частоты НЧМ сигнала - AfC ~ 500кГц;

- база НЧМ сигнала ~ 32

- уровень максимального бокового лепестка сжатого НЧМ сигнала R < - 50дБ. Рекордно низкий уровень боковых лепестков при относительно малой базе сигнала

достигнут за счет специального закона внутриимпульсной модуляции частоты зонди­рующих НЧМ импульсов.

Для проверки степени эквивалентности междупериодных амплитудных и фазовых характеристик МО при использовании МОНО и сложных НЧМ сигналов (со сверхнизким уровнем боковых лепестков) частота повторения M = 12 - импульсных пачек сигналов каждого вида была выбрана более низкой, чем требуется для однозначного определения

СРРСН'2008

!-ч.1 - 61дальности. Для расширения интервала однозначного определения скорости МО до + 25 м/с использовалась попачечная вобуляция интервалов Т (/=1,2,3,4) зондирования в 4-х подпачках из трех импульсов каждая.

Антенная система Э-диапазона

 

Приемо­передающий СВЧ тракт

 

 

 

 

 

 

ОПУ

 

Штатная аппаратура

Передатчик ЛираАЮ

Цифровой формирователь НЧМ

Линейный приемник ЛираАЮ

ЦУССГ

Встроенная аппаратура

Аппаратура записи и обработки Р/Л информации

5(у) = (у) = х*(у) Ф х(у)/М ; 5(у) = 52 (у)= М / р* (у) р(у),   р(у) = {)}}=1= Н т х(у);

Рис. 1

Спектральные характеристики МО определялись путем обработки различными ме­тодами СА цифровых записей квадратурных составляющих отсчетов МОНО и НЧМ сиг­налов с выхода цифрового устройства сжатия НЧМ сигнала (ЦУСС).

В ходе эксперимента сравнивались три метода СА, отличающиеся своими спек­тральными функциями (СФ) £ (у) - зависимостями значений спектральной плотности мощности междупериодных флуктуаций МО от радиальной скорости У перемещения отражателей:

* л

1.

2.

ч     , _^   ч ,

з. £ (у )=£з(у)= 1/рм (у)| 2;

Здесь Ф =(1/ к)     у/ - у* - максимально правдоподобная (МП) оценка М х М кор­/=1

реляционной матрицы (КМ) междупериодных флуктуаций МО, сформированная по К - мерной выборке У = {у/ }К=1 взаимно независимых М - мерных пачек уг- = ()|м=1 отражений М интервалов зондирования из К элементов разрешения по дальности [2], х(у) = {ехр ( j4 - п - у - Т(I/X)} М= 1 - М -мерный вектор сканирования по радиальной скоро­сти У, образованный отсчетами комплексной гармоники частотой = 2 - у / X в момен­ты Т^ излучения I - го импульса пачки относительно первого, X — длина волны РЛС, Нт МП оценка нижней треугольной ленточной (с шириной ленты т ) матричной им­пульсной характеристики (МИХ) квазиобеляющего фильтра МО [1, 2].

Первая СФ соответствует общеупотребительному в ДМРЛ методу ДПФ, вторая и третья - методам минимальной дисперсии (МД) Кейпона и максимальной энтропии (МЭ) Берга, модернизированным за счет ленточности МИХ [1-4].

Для всех СФ определялась координата Утах глобального максимума (перебором с шагом Ау=0,25 м/с), отождествлявшаяся со значением средней радиальной скорости МО,

СРРСН'2008

1-ч.1 - 62и их ширина на уровне 0.5 от максимума, характеризующая степень турбулентности МО в соответствующем элементе разрешения.

2. Результаты экспериментов. На рис. 2 показаны примеры нормированных экс­периментальных СФ подстилающей поверхности (в дБ), полученные каждым из методов. Видно, что положения максимумов СФ в этом случае, как и должно быть из физических соображений, близки к нулю и практически совпадают для всех методов. Однако ширина СФ методов МД Кейпона и МЭ Берга (0,25 м/с) существенно меньше полученной мето­дом ДПФ (1,25 м/с). Эти закономерности в равной степени проявляются для НЧМ и МОНО сигналов. Тем самым эксперимент полностью подтвердил справедливость изло­женной в [1] теории, в которой этот результат был предсказан и объяснен. Эксперимен­тально подтвержден и вывод [1] о том, что число импульсов в пачке, требующихся для заданной точности измерения ширины спектра, для метода ДПФ больше, чем для мето­дов МД и МЭ. В показанных на рис. 3 нормированных экспериментальных СФ подсти­лающей поверхности, соответствующих НЧМ зондирующим сигналам, примерно равная ширина по уровню -(5 - 15) дБ от максимума методами МД и МЭ обеспечена пачкой размера М=12, тогда как для метода ДПФ в этом случае потребовалась пачка размера М=24. Это преимущество «сверхразрешающих» методов СА имеет важное практическое значение для метеолокаторов, в которых из-за высоких требований к темпу выдачи ин­формации возможность использовать пачки больших размеров крайне ограничена. Еще одно преимущество «сверхразрешающих» методов СА связано со значительно меньшим уровнем «дифракционных» максимумов СФ, порожденных использованным законом зондирования.

Рис. 2 Рис. 3

Для малоскоростных облаков (уг=3-4 м/с) спектры отражений, полученные по НЧМ и МОНО сигналам (рис. 4), близки форме и параметрам. Полученные в эксперименте от­личия в ширинах спектров объясняются более высоким отношением сигнал/шум (ОСШ) для НЧМ сигнала (~27 дБ) по сравнению с МОНО сигналом (~12 дБ).

Рис. 4

Аналогичный результат получен для облаков, движущихся со средней радиальной скоростью уг=6-8 м/с. При таких скоростях может возрастать уровень «дифракционных» максимумов СФ (лепестков неоднозначности) для методов Кейпона и Берга по сравне­нию со случаем уг=0, которые, однако, остаются существенно более низкими, чем у мето­да ДПФ. Для последнего они определяются средней частотой зондирования и практиче­

СРРСН'2008

1-ч.1 - 63ски не зависят от значения уг. Отличия спектров для МОНО и НЧМ сигналов несущест­венны и для больших скоростей облаков уг=10-11 м/с и связаны только с различиями ОСШ в анализируемом элементе дистанции.

Еще один пример спектров движущихся МО при НЧМ зондирующем сигнале пока­зан на рис. 5. В этом примере спектр ДПФ оказался двухмодовым с разным уровнем мод, что затрудняет оценку средней скорости МО. Многомодовость спектра сопровождается и

неравномерных («небелых») спектров, вызванные, например, присутствием в пределах одного элемента разрешения различных процессов (шум-облако и т.п.) или ненулевым градиентом радиальной скорости ветра в нем.

Заключение. Результаты экспериментов позволяют сделать следующие выводы:

- основные параметры спектров метеообразований, полученные при использовании МОНО и НЧМ зондирующих сигналов, имеют высокую степень сходства, что свидетель­ствует о возможности и целесообразности практически использовать последние в суще­ствующих и разрабатываемых метеорадиолокаторах;

- предсказанные теорией преимущества «сверхразрешающих» методов спектраль­ного анализа по сравнению с традиционным для метеолокации методом ДПФ подтвер­ждены экспериментально;

- современная цифровая элементная база позволяет на практике реализовать раз­личные «сверхразрешающие» методы спектрального анализа, в частности, использован­ные в эксперименте модификации методов МД Кейпона и МЭ Берга, на унифицирован­ной структурно-алгоритмической основе адаптивных решетчатых фильтров. В этом слу­чае возможны и другие методы извлечения метеоинформации, не связанные с вычисле­нием спектральных функций и одновременно позволяющие расширить информативность отражений от МО [1]. Их изучение перспективно для дальнейших экспериментальных и теоретических исследований.

Литература

1. Леховицкий Д. И., Жуга Г. А., Вовшин Б. М., Лаврукевич В. В. Извлечение ме­теоинформации на основе спектрального и корреляционного анализа отражений в им­пульсных доплеровских метеорологических РЛС. - Х.: Прикладная радиоэлектроника, Т.4, 2007, №4.

2. Я. Д. Ширман, С. Т. Багдасарян, А. С. Маляренко, Д. И. Леховицкий, С. П. Ле-щенко, Ю. И Лосев, А. И. Николаев, С. А Горшков, С. В. Москвитин, В. М. Орленко. Ра­диоэлектронные системы: основы построения и теория. Справочник. Изд. 2-е, перераб. и доп./ Под ред. Я. Д. Ширмана. - М.: Радиотехника, 2007.- 512 с илл.

3. Capon J. High Resolution Frequency - Wave number Spectrum Analysis. Proc. IEEE, 1969, 57, pp.1408-1418.

4. Марпл-мл. С. Л. Цифровой спектральный анализ и его приложения. - М.: Мир,

1990.

5. Леховицкий Д. И. СДЦ в импульсных РЛС: Почти без формул, но с картинками. 1. Оптимальная междупериодная обработка гауссовых сигналов на фоне гауссовых пас­сивных помех. - Х.: Прикладная радиоэлектроника, т.5, 2006, №2, с. 192-200.

Рис. 5

его    расширением,    в    связи    с чем усложняется измерение не только средней скорости    МО,    но    и    степени их турбулентности.    Через    7-8 отсчетов центральная     частота     спектра ДПФ начинает   приближаться   к центральной частоте спектров Кейпона и Берга. Это свидетельствует об инерционности спектра Фурье при быстром изменении средней скорости. Такое поведение спектра Фурье также было теоретически предсказано в [1], где исследовались ошибки измерения

СРРСН'2008

I-ч.і - 64

СИНТЕЗ МАЛОБАЗОВЫХ СИГНАЛОВ С УЛЬТРАНИЗКИМ УРОВНЕМ БОКОВЫХ ЛЕПЕСТКОВ ДЛЯ МЕТЕОРАДИОЛОКАТОРА

Ефремов В. С., Седлецкий Р. М. НПО «ЛЭМЗ», 127411, г. Москва, Дмитровское шоссе, 110, ЛЭМЗ E-mail: sedletsky@mail.ru The goal of the given article is to consider possibility of using complex signals in mete­orological radiolocation. Main difference meteorological radiolocation from traffic control radiolocation is kind of target. In traffic control radiolocation we have deal with objects, whose sizes are much more than sizes of pulse volume of radiolocation signal. The difference results new demands to radiolocation signals - ultra low level of side lobes of radiolocation signals.

In the article results of theoretical synthesis of complex signal with ultra low side lobe level are considered. Results of experimental generation and compressing complex signal with nonlinear frequency modulation are considered.

Отражающие объекты в метеолокации представляют собой протяжённые объекты. В классической радиолокации, за исключением задач распознавания целей, отражающие объекты являются точечными отражателями. Локация протяжённых объектов предъявля­ет особые требования к зондирующим сигналам. Радиолокационные сигналы должны обеспечивать хорошее разрешение гидрометеоров и с высокой точностью - определение границ метеообразований. Кроме того, в метеолокации требуется высокая точность изме­рения мощности сигналов [1].

В последнее время появились теоретические и экспериментальные результаты по использованию в метеорадарах сложных сигналов с небольшой базой [2].

Достоинствами твёрдотельных доплеровских локаторов являются высокая стабиль­ность несущей частоты и возможность когерентного накопления пачки сигналов, что обеспечивает хорошую селекцию движущихся объектов на фоне подстилающей поверх­ности и высокую точность измерения их скорости.

Особенностью твёрдотельных локаторов является необходимость использования сложных сигналов с базой 100 и выше. В настоящее время в твёрдотельных локаторах управления воздушным движением (УВД) используются ЛЧМ сигналы, в некоторых слу­чаях используются сигналы с нелинейным изменением частоты (НЧМ) сигналы [3-5].

В докладе сравниваются три вида сигналов и методов их обработки в метеолокаторе:

1. ЛЧМ сигнал с весовой обработкой Хэмминга;

2. ЛЧМ сигнал с инверсным фильтром и весовым окном Натолла;

3. Согласованное сжатие синтезированного НЧМ сигнал с уровнем боковых лепест­ков - 60 дБ.

Для метеолокации при уровне отражения 60 - 70 дБ над уровнем шума использова­ние ЛЧМ сигнала с весовым окном Хэмминга приводит к негативным последствиям при локации протяжённых объектов:

■ размытию границ облаков за счёт "наезда" боковых лепестков на облако;

■ увеличению измеряемой мощности отражения в зондируемом элементе разреше­ния за счёт мощности, "насасываемой" из соседних элементов по дальности за счёт боко­вых лепестков КФ.

Использование ЛЧМ сигналов с инверсным фильтром и весовым окном Натолла обеспечивает практически такую же достоверность измерения параметров протяжённых объектов, как и для локатора с простым сигналом. При такой обработке уровень боковых лепестков уменьшается до - 97.5 дБ, а потери при оптимальном выборе полосы пропус­кания инверсного фильтра составляет величину - 0.9 дБ, что на 0,4 дБ лучше, чем при использовании окна Хэмминга.

Наилучшие результаты как в плане минимизации потерь в отношении сигнал-шум, так и в отношении доплеровской устойчивости обеспечивает синтезированный НЧМ сиг­нал. По сравнению с обработкой ЛЧМ сигнала получено уменьшение потерь в отноше­нии сигнал/шум с - 0.9 дБ до -0.3 дБ и улучшение доплеровской устойчивости [4, 5].

СРРСН'2008

1-ч.1 - 65

Корреляционная функция (КФ) сжатого НЧМ сигнала при нулевом доплеровском сдвиге частоты приведена на рис. 1. Длительность сигнала 60 мкс, база 32.

На рис. 2 приведена КФ для доплеровского сдвига частоты 2 кГц, а на рис. 3 - КФ для доплеровского сдвига частоты 20 кГц.

100      200      300      400 500

Mkcek

20 0 -20 -40 -60 -80 -100 -120 -140 -160

400

samples

Рис. 1. КФ после КИХ-фильтра, УБЛ по минимаксному критерию - 60 дБ, по среднеквадратическому критерию - 66.9 дБ

Рис. 2. КФ для доплеровского сдвига 2 кГц

Г

400 samples

Рис. 3. КФ для доплеровского сдвига 20 кГц

При изменении доплеровской частоты в пределах 0-20 кГц среднеквадратический УБЛ НЧМ сигнала возрастает с - 67 дБ до - 50 дБ.

Таким образом, в данной работе полу­чены следующие результаты:

1. Проведено статистическое модели­рование измерения параметров протяжён­ных объектов при использовании ЛЧМ сиг­нала с инверсной фильтрацией и весовым окном Натолла.

2. Синтезирован НЧМ сигнал с подавле­нием боковых лепестков в - 70 дБ с потерями в отношении сигнал/шум - 0,3 дБ.

3. Показано, что при уровне отражений от метеообразований в 70 дБ над уровнем шу­ма предлагаемая обработка НЧМ сигнала позволяет сохранить форму протяжённых объек­тов и точность измерения мощности отраженного сигнала от протяжённых объектов, практи­чески такую же, как и в случае использования локатора с простым сигналом.

Литература

1. Довиак Р., Зрнич Д. Доплеровские радиолокаторы и метеорологические наблюдения. Гидрометеоиздат, Ленинград, 1988. Richard J. Doviac, Dusan S. Zrnic. Doppler Radar and Weather Observation. Academic Press, Inc, 1984.

2. T. A. Alberts , P. B. Chilson School of Meteorology, B. L. Cheong , R. D. Palmer School of Meteorology, University of Oklahoma, Norman, Oklahoma, USA, M. Xue Center for Analysis and Pre­diction of Storms, Norman, Oklahoma, USA. Evaluation of Binary Phase Coded Pulse Compression Scemes Using and Time - Series Weather Radar Simulator.

3. Родионов В. В., Рукавишников В. М., Филонов Ю. В. Методы формирования и обработки радиолокационных сигналов с малой базой и низким уровнем боковых лепестков функции неоп­ределённости по дальности. VII Международная научно-техническая конференция Радиолокация, навигация, связь, Т. 3, Воронеж, 2001, стр. 1460 - 1467.

4. Gennady P. Bendersky, Viacheslav S. Efremov, Rudolf M. Sedletsky. The Synthesis of General­ized Barker Codes for Air Traffic Control Radars. India, IRSI, 2003.

5. Gennady P. Bendersky, Viacheslav S. Efremov, Rudolf M. Sedletsky. The Synthesis of Signal, Steady to Doppler Shift of Frequency for Air Traffic Radar Control Radars. India, IRSI, 2003.

0

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37  38  39  40  41  42  43  44  45  46  47  48  49  50  51  52  53  54  55  56  57  58  59  60  61  62  63  64  65  66  67  68  69  70  71  72  73  74  75  76  77  78  79  80  81  82  83  84  85  86  87  88  89  90  91  92  93  94  95  96  97  98  99  100  101  102  103  104  105  106  107  108  109  110  111  112  113  114  115  116  117 


Похожие статьи

Автор неизвестен - 13 самых важных уроков библии

Автор неизвестен - Беседы на книгу бытие

Автор неизвестен - Беседы на шестоднев

Автор неизвестен - Богословие

Автор неизвестен - Божественность христа