локализация целей в радиолокационной станции постоянного

Известия НАН Армении, Физика, т.46, №4, с.273-277 (2011)
УДК 621.37
ЛОКАЛИЗАЦИЯ ЦЕЛЕЙ В РАДИОЛОКАЦИОННОЙ СТАНЦИИ
ПОСТОЯННОГО ДЕЙСТВИЯ С СОСТАВНЫМ
МОДУЛИРУЮЩИМ СИГНАЛОМ
А.Г. МУЖИКЯН
Институт радиофизики и электроники НАН Армении, Аштарак
(Поступила в редакцию 3 марта 2011 г.)
Представлен улучшенный алгоритм обнаружения множественных целей
для радиолокационной станции (РЛС) непрерывного действия с линейно-частотной модуляцией (ЛЧМ). Использован составной модулирующий сигнал, состоящий из последовательных ЛЧМ и чисто доплеровских периодов. Обработка
чисто доплеровского периода не требует больших вычислительных ресурсов и
полученные результаты более точны. Такое построение алгоритма позволяет
понизить вероятность ложной тревоги РЛС в режиме локализации и упрощает
обработку в режиме обнаружения.
1. Введение
Портативные устройства ближнего обнаружения вызывают все больший
интерес для многих гражданских и военных применений, таких как системы
предупреждения столкновений или обнаружения целей в системах безопасности
[1]. В последнее время эта сфера их применения практически полностью
переложилась на непрерывные РЛС с ЛЧМ, которые позволяют обнаруживать и
измерять дальность и радиальную скорость точно так же, как и импульсные
РЛС, отличаясь от последних низкой стоимостью, малыми габаритами, меньшим
энергопотреблением и отсутствием слепой зоны [2,3]. Сложность построения
РЛС ближнего действия заключается в необходимом совмещении противоречивых требований. Например, применение комбинированной приемно-передающей антенны, с одной стороны, приводит к желательным сокращениям габаритных размеров системы, но с другой стороны, исключает возможность использования относительно высокой мощности передатчика для увеличения
дальности обнаружения целей ввиду неминуемого роста просоченной мощности
до неприемлемо высокого уровня [4]. Другой отличительной особенностью РЛС
ближнего действия является очень большой динамический диапазон по
дальности обнаружения (порядка 30 дБ), что соответствует динамическому
диапазону принимаемых сигналов порядка 120 дБ. Такие противоречивые требования диктуют необходимость тщательного проектирования всех подсистем, с
целью оптимального совмещения преимуществ каждой из них.
Обработка принятого сигнала является, пожалуй, самым важным моду273
лем системы, принимающим решение о наличии целей. Проектирование этого
модуля, которое в основном состоит в разработке эффективных алгоритмов
устранения ложных целей, локализации и сопровождения целей, требует особой
скрупулезности, чтобы не перегружать устройства обработки и обеспечить
требуемые вероятности ложной тревоги и пропуска целей. Вероятность ложной
тревоги и вероятность пропуска цели являются показателями надежности РЛС.
Выбор типа модулирующего сигнала играет центральную роль в построении
алгоритма обработки. Их точность и быстродействие будут зависеть от типа
используемого сигнала. Использование ЛЧМ сигнала в таких системах позволяет
одновременно измерять скорость и дальность цели. Однако для обработки
информации от множественных целей используются алгоритмы для фильтрации
ложных целей. Эти алгоритмы вычислительно сложны и для повышения
точности измерений требуют применения дорогостоящих устройств обработки
сигналов. Использование трехпериодного комбинированного сигнала, который
состоит из последующих двух периодов ЛЧМ и одного периода монохроматического доплеровского сигнала, позволяет одновременно с использованием более простых алгоритмов повысить надежность системы.
2. Использование составного модулирующего сигнала
Как известно, чисто доплеровская непрерывная РЛС предоставляет
только возможность обнаружения движущихся целей и измерения их скоростей.
Использование дополнительной ЛЧМ позволяет непосредственно измерить
также и дальность до цели. С использованием треугольного модулирующего
сигнала можно получить ЛЧМ сигнал с последовательно нарастающей и
убывающей частотами. В результирующий сдвиг по частоте вносят вклад как
дальность до цели, так и доплеровский сдвиг от движущихся целей. Измерение
сдвигов частоты во время этих периодов формирует пару частот для каждой
цели, которая и позволяет вычислить дальность и скорость.
Однако наличие нескольких целей делает задачу более сложной. Даже в
идеальных условиях (отсутствие клаттерного сигнала) во время периода нарастания частоты получим один набор частот, по одной для каждой цели. Другой
аналогичный набор частот получается для периода убывания частоты. Соответствие между парами частот будет неизвестным. В результате для N целей мы
получаем матрицу размером NxN для всевозможных пар значений скорость–
дальность. Из этой матрицы только N пар значений скорость–дальность соответствуют реальным целям, остальные же являются ложными.
Метод трансформируемых периодов ЛЧМ [5,6] позволяет решить эту
проблему и идентифицирует множественные цели. Переменные периоды ЛЧМ
используются для предотвращения обнаружения ложных целей. Использование
вместо одного двух треугольников с разными длительностями позволяет
получить две матрицы пар скорость–дальность. Как и во время первого
треугольника, вторая матрица будет состоять из реальных и ложных целей.
Однако реальные цели, значения которых не зависят от длительности
274
треугольников, будут присутствовать в обеих матрицах, а значения ложных
целей будут меняться с изменением длительностей треугольников и в двух
матрицах будут разными. Таким образом, используя это различие, можно
удалить ложные цели и выявить реальные цели.
Строго математически, выявление наличия реальных целей в обеих матрицах описывается равенством значений соответствующих пар. Однако, вследствие конечных точностей измерений и клаттерного сигнала, знак равенства
может привести к почти абсолютной вероятности пропуска целей. Решение заключается в использовании некоторой конечной точности сопоставления. При
грубой точности может просочиться множество ложных целей, что повысит вероятность ложной тревоги системы. В обратном случае реальные цели могут
быть отфильтрованы, что приведет к повышению вероятности пропуска целей.
Чтобы понизить вероятность ложной тревоги и при этом не повышать
вероятность пропуска целей, можно применить дополнительные алгоритмы обработки сигнала. Это приведет к усложнению алгоритмов и потребует более
мощных и дорогостоящих устройств обработки сигналов, что, в конечном счете,
приведет к повышению стоимости системы. Эту проблему можно решить
методом разбиения обработки сигнала на два последующих этапа – локализации
целей и проверки результатов. Предлагаемый алгоритм использует составной
модулирующий сигнал с тремя периодами, два с ЛЧМ и один – чисто
доплеровский. Временная форма сигнала показана на рис.1.
Рис.1. Поочередное выполнение алгоритма сигнализации/локализации.
Первые два периода ЛЧМ сигнала используются для применения алгоритма обнаружения множественных целей, а третий – для проверки результатов.
Точность сопоставления можно выбрать более грубой с использованием
дополнительного инструмента проверки, тем самым обеспечивая нужный уровень пропуска целей. В результате получим фильтрацию ложных целей в ,первом приближенииե. Период с чисто доплеровским сигналом даст значения скоростей целей. С помощью сопоставления с полученными результатами, можно
найти и исключить из рассмотрения цели с ложными скоростями. Таким образом, чисто доплеровский период является валидатором полученных целей. Его
275
проще обработать и полученные результаты более точны по сравнению с ЛЧМ
сигналом.
Такое построение модулирующего сигнала используется также для повышения надежности системы в режиме обнаружения. Так, в режиме обнаружения, который занимает большую часть времени работы, РЛС производит
пространственное сканирование. В этом режиме целью системы является
оповещение о наличии движущихся целей, но не требуется производить их локализацию. При использованни чисто доплеровского сигнала алгоритм обработки данных существенно упрощается, а это, в свою очередь, приводит к возможности более аккуратного измерения, что особенно важно в режиме обнаружения.
При обнаружения цели, включается алгоритм локализации с использованием
измерений ЛЧМ периодов.
3. Заключение
Использование чисто доплеровского сигнала повышает точность измерения в режиме обнаружения и улучшает фильтрацию ложных целей в режиме
локализации. Такое построение алгоритма позволяет понизить вероятность
ложной тревоги РЛС. Данный алгоритм выполнен и протестирован в РЛС непрерывного действия, позволяющей обнаружить цели на расстоянии до 5 км и в
диапазоне скоростей от 3 до 90 км/ч.
В дальнейшем планируется повысить скорость изменения модулирующего сигнала. Частотный сдвиг, обусловленный дальностью цели, будет существенно преобладать над доплеровским. Частотные компоненты в спектре начнут
группироваться в кластеры по дальностям целей, и с помощью чисто доплеровского периода можно будет применить предварительную отсечку ложных
целей. Алгоритм обнаружения множественных целей можно применить к прореженным кластерам по отдельности, что приведет к понижению размеров матриц и ускорению алгоритма, вычислительная комплексность которого квадратично растет в зависимости от размеров матриц.
Автор благодарит А.А. Ахумяна и Т.В. Закаряна за постановку задачи,
обсуждение результатов и помощь при проведении исследований.
ЛИТЕРАТУРА
1. I.V.Komarov, S.M.Smolskiy.
S.M.Smolskiy. Fundamentals of Short-Range FM Radar. Norwood, Artech
House, 2003.
2. F.Bekkadal. Proc. of 17th International Conference on Applied Electromagnetics and
Communications (ICECom-2003), Dubrovnik, Croatia, 2003, p.6.
3. A.G.Stove. IEE Proceedings-F, 139,
139 343 (1992).
4. А.А.Ахумян, А.Г.Айрапетян, Т.В.Закарян, Р.М.Мартиросян, С.Г.Мартиросян,
А.Г.Мужикян, В.Р.Никогосян, Н.Г.Погосян, Т.Н.Погосян, К.С.Рустамян. Электромагнитные волны и электронные системы, 16(2),
16(2) 43 (2011).
5. W.Wang, J.Cai, Y.Yang. Proc. of International Conference on Communications, Circuits
and Systems, 2, 744 (2005).
6. W.Wang. Proc. of IEEE Conf. on Radar, 2006, p.749.
276
ԹԻՐԱԽՆԵՐԻ ՏԵՂԱՅՆԱՑՈՒՄԸ ՀԱՄԱԿՑՎԱԾ ՄՈԴՈՒԼԱՑՆՈՂ ԱԶԴԱՆՇԱՆՈՎ
ԳԾԱՅԻՆ ՀԱՃԱԽԱՅԻՆ ՄՈԴՈՒԼԱՑՎԱԾ
ԱՆԸՆԴՀԱՏ ԱԼԻՔԻ ՌԱԴԱՐՆԵՐՈՒՄ
Ա.Հ. ՄՈՒԺԻԿՅԱՆ
Ներկայացված է գծային հաճախային մոդուլյացիայով (ԳՀՄ) անընդհատ ալիքի ռադարների
համար բազմակի թիրախների հայտնաբերման ալգորիթմի բարելավում: Օգտագործվում է
համակցված մոդուլյացիոն ազդանշան, որը բաղկացած է հաջորդական ԳՀՄ ու մաքուր
դոպլերյան հատվածներից: Մաքուր դոպլերյան հատվածի մշակումը չի պահանջում մեծ
հաշվարկային ռեսուրսներ և արդյունքներն ավելի ճշգրիտ են: Ալգորիթմի այսպիսի կառուցումը
թույլ է տալիս նվազեցնել կեղծ ահազանգի հավանականությունը տեղայնացման ռեժիմում և
պարզեցնում է մշակումը հայտնաբերման ռեժիմում:
LOCALIZATION OF TARGETS IN CW-LFM RADARS
WITH COMBINED MODULATING SIGNAL
A.H. MUZHIKYAN
An improvement to the multiple target detection algorithm for continuous wave (CW) radars with
linear frequency modulation (LFM) is presented. A combined modulating signal consisting of successive chirps and pure Doppler periods is used. Processing of a pure Doppler period does not require large
computational resources and the results are more accurate. This construction of
the algorithm allows us to reduce false alarm rate in the localization mode and simplifies the processing
in the detection mode.
277