Патент на изобретение №2153702
|
||||||||||||||||||||||||||
(54) ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ ДИСКРИМИНАТОР
(57) Реферат: Изобретение относится к аналоговой вычислительной технике и может быть использовано в устройствах обработки. Техническим результатом является повышение точности определения оценки рассогласования между текущим и опорным значением измеряемых параметров. Дискриминатор содержит антенную решетку, N – 1 антенных решеток и шесть идентичных каналов. Каждый канал включает N идентичных блоков пространственно-временной обработки и один сумматор канала. Каждый блок пространственно-временной обработки состоит из четырех перемножителей коррелятора, блока опорных сигналов с шестью входами и четырьмя выходами, четырех пространственных интеграторов, четырех временных интеграторов, девяти перемножителей сигнала, пяти сумматоров, устройства извлечения квадратного корня, первого функционального преобразователя, второго функционального преобразователя и трехвходового перемножителя. 5 ил. Изобретение относится к аналоговой вычислительной технике и может быть использовано в устройствах обработки сигналов. При ранении задач фильтрации могут использоваться сглаживающие фильтры [1,2] , в состав которых входят временные, амплитудно-частотные, оптимальные угловые или другие дискриминаторы для определения оценки рассогласований между текущим и опорным значениями измеряемого параметра сигнала. Наиболее близким к рассматриваемому устройству является одномерный оптимальный угловой дискриминатор [1], содержащий антенную решетку, вычитающее устройство, фазовращатель на /2, приемник измерительного сигнала) передатчик, антенный переключатель, приемник опорного сигнала, автоматический регулятор усиления, синхронный детектор и входящий в следящий измеритель направления (СИН). СИН определяет текущие угловые координаты объекта путем непрерывного отслеживания направления прихода волны опорным направлением антенны. В режиме слежения измеритель отслеживает лишь плавные, закономерные изменения угловых координат, а случайные возмущения подавляются: при этом положение опорного направления становится оценкой направления на объект. Поскольку угловых координаты две, используют два контура слежения, которые почти всегда независимы. Однако в данном устройстве при приеме сигналов с флуктуацией фазы, обусловленной турбулентностью атмосферы, возникают большие погрешности в определении оценки рассогласований между текущим и опорным значениями измеряемых параметров.
Таким образом, недостатком данного устройства является невысокая точность определения оценки рассогласований между текущим и опорным значениями измеряемого параметра сигнала из-за флуктуаций фазы, обусловленных турбулентностью атмосферы. Так как при наличии данных флуктуаций увеличивается вероятность пропуска сигнала, а следовательно и общая вероятность ошибки [3] .
Задача, решаемая заявляемым устройством, – повышение точности определения оценки рассогласования между текущим и опорным значениями измеряемых параметров при флуктуации фазы, обусловленной турбулентностью атмосферы.
Предлагается пространственно-временной дискриминатор (ПВД), содержащий антенную решетку.
В отличие от прототипа в него дополнительно введено N-1 антенных решеток и шесть идентичных каналов ПВД. Каждый канал включает N идентичных блоков пространственно-временной обработки (ПВО) и один сумматор канала. Каждый блок ПВО состоит из четырех перемножителей коррелятора, первые входы которых соединены с выходом соответствующей антенны, блока опорных сигналов с шестью входами и четырьмя выходами, соединенными со вторыми входами соответствующих перемножителей коррелятора, четырех пространственных интеграторов, входах которых соединены с выходами соответствующих перемножителей коррелятора, четырех временных интеграторов, входы которых соединены с выходами соответствующих пространственных интеграторов, девяти перемножителей сигналов, при этом первый вход первого перемножителя сигналов соединен с выходом первого пространственного интегратора, второй вход – с выходом первого временного интегратора, первый вход второго перемножителя сигналов соединен с выходом четвертого пространственного интегратора, второй вход – с выходом четвертого временного интегратора, первый и второй вход третьего перемножителя сигналов соединены с выходом первого временного интегратора, первый вход четвертого перемножителя сигналов соединен с выходом первого временного интегратора, второй вход – с выходом второго пространственного интегратора, первый вход пятого перемножителя сигналов соединен с выходом второго временного интегратора, второй вход – с выходом первого пространственного интегратора, первый вход шестого перемножителя сигналов соединен с выходом третьего временного интегратора, второй вход – с выходом четвертого пространственного интегратора, первый вход седьмого перемножителя сигналов соединен с выходом четвертого временного интегратора, второй вход – с выходом третьего пространственного интегратора, первый и второй входы восьмого перемножителя сигнала соединены с выходом четвертого временного интегратора, пяти сумматоров, при этом первый вход первого сумматора соединен с выходом третьего перемножителя сигналов, второй вход – с выходом восьмого перемножителя сигналов, первый вход второго сумматора соединен с выходом четвертого перемножителя сигналов, второй вход – с выходом пятого перемножителя сигналов, третий вход – с выходом шестого перемножителя сигналов, четвертый вход – с выходом седьмого перемножителя сигналов, первый вход третьего сумматора соединен с выходом второго временного интегратора, второй вход – с выходом третьего временного интегратора, первый вход четвертого сумматора соединен с выходом первого перемножителя сигналов, второй вход – с выходом второго перемножителя сигналов, устройства извлечения квадратного корня, вход которого соединен с выходом первого сумматора, первого и второго функциональных преобразователей, входы которых соединены с выходом устройства извлечения квадратного корня, трехвходового перемножителя, первый вход которого соединен с выходом третьего сумматора, второй вход – с выходом первого функционального преобразователя, третий вход – с выходом четвертого сумматора, выход второго сумматора соединен с первым входом девятого перемножителя сигналов, выход второго функционального преобразователя соединен со вторым входом девятого перемножителя сигналов, первый вход пятого сумматора соединен с выходом девятого перемножителя сигналов, второй вход пятого сумматора соединен с выходом трехвходового перемножителя. Выход пятого сумматора является выходом соответствующего блока ПВО и соединен с соответствующим входом сумматора канала, выход которого является выходом соответствующего канала ПВД. Точность определения оценки рассогласования между текущим и опорным значениями измеряемых параметров при флуктуации фазы, обусловленной турбулентностью атмосферы, данным устройством повышается за счет усреднения функционала правдоподобия по равномерно распределенным в интервале [0,2 ] фазам.
Изобретение иллюстрируется пятью фигурами. На фиг. 1 представлена локальная система координат и приняты следующие обозначения: введена декартова X, Y, Z и сферическая R, , системы координат, радиус-вектор, который определяет положение цели, радиус-вектор, определяющий точку приема в области Li задания функции раскрыва j-ой элементарной антенны, при этом Li – совпадает с плоскостью XY; положение точки приема задается полярными координатами , ; – угол между векторами радиус-вектор, определяющий точку приема относительно цели. На фиг. 2 и 3 показаны графики изменения функций и , реализованных первым и вторым функциональным преобразователем. На фиг. 4 представлена структурная схема ПВД и приняты следующие обозначения: 11-1N антенные решетки, 211-2N4 – перемножители корреляторов, 31-3N блоки опорных сигналов, 411-4N4 – пространственные интеграторы, 511-5N4 временные интеграторы, 611-6N9 – перемножители сигналов, 711-7N5 – сумматоры, 81-8N – устройство извлечения корня, 91-9N – первый функциональный преобразователь, 101-10N – второй функциональный преобразователь, 1111-11N – трехвходовый перемножитель, 121-12N – сумматор канала. На фиг. 5 представлен график изменения выигрыша в зависимости от отношения сигнал/шум. При этом в нумерации блоков принято следующее правило: первый индекс соответствует номеру блока в канале ПВД, второй индекс соответствует номеру устройства в блоке ПВО.
Рассмотрим работу ПВД в статике. Выходы антенных решеток 11-1N соединены с первыми входами перемножителей 211-2N4 коррелятора соответствующих блоков ПВО каждого канала ПВД. В каждом блоке ПВО выходы блока 31-3N опорных сигналов соединены с вторыми входами соответствующих перемножителей 211-2N4 коррелятора. Входы пространственных интеграторов 411-4N4 соединены с выходами соответствующих перемножителей 211-2N4 коррелятора. Входы временных интеграторов 511-5N4 соединены с выходами соответствующих пространственных интеграторов 411-4N4. Первый вход левого перемножителя 611 сигналов соединен с выходом первого пространственного интегратора 411, второй вход с выходом первого временного интегратора 511. Первый вход второго перемножителя 612 сигналов соединен с выходом четвертого пространственного интегратора 414, второй вход – с выходом четвертого временного интегратора 514. Первый и второй вход третьего перемножителя 613 сигналов соединены с выходом первого временного интегратора 511. Первый вход четвертого перемножителя 614 сигналов соединен с выходом первого временного интегратора 511, второй вход – с выходом второго пространственного интегратора 412. Первый вход пятого перемножителя 615 сигналов соединен с выходом второго временного интегратора 512, второй вход – с выходом первого пространственного интегратора 411. Первый вход шестого перемножителя 616 сигналов соединен с выходом третьего временного интегратора 513, второй вход – с выходом четвертого пространственного интегратора 414. Первый вход седьмого перемножителя 617 сигналов соединен с выходом четвертого временного интегратора 514, второй вход – с выходом третьего пространственного интегратора 413. Первый и второй входы восьмого перемножителя 618 сигнала соединены с выходом четвертого временного интегратора 514. Первый вход первого сумматора 711 соединен с выходом третьего перемножителя сигналов 613, второй вход – с выходом восьмого перемножителя 618 сигналов. Первый вход второго сумматора 712 соединен с выходом четвертого перемножителя 614 сигналов, второй вход – с выходом пятого перемножителя 615 сигналов, третий вход – с выходом шестого перемножителя 616 сигналов, четвертый вход – с выходом седьмого перемножителя 617 сигналов. Первый вход третьего сумматора 713 соединен с выходом второго временного интегратора 512, второй вход – с выходом третьего временного интегратора 513. Первый вход четвертого сумматора 714 соединен с выходом первого перемножителя сигналов 611, второй вход – с выходом седьмого перемножителя 617 сигналов. Вход устройства извлечения квадратного корня 81 соединен с выходом первого сумматора 711. Входы первого и второго функциональных преобразователей 91 и 101 соединены с выходом устройства извлечения квадратного корня 81. Первый вход трехвходового перемножителя 111 соединен с выходом третьего сумматора 713, второй вход – с выходом первого функционального преобразователя 91, третий вход – с выходом четвертого сумматора 714. Вход второго сумматора 712 соединен с первым входом девятого перемножителя 619 сигналов. Выход второго функционального преобразователя 101 соединен со вторым входом девятого перемножителя 619 сигналов. Первый вход пятого сумматор 715 соединен с выходом девятого 619 перемножителя сигналов, второй вход соединен с выходом трехвходового перемножителя 111. Выход пятого сумматора 715 является выходом соответствующего блока ПВО и соединен с соответствующим входом сумматора 121 канала ПВД, выход которого является выходом соответствующего канала, выход которого является соответствующим выходом ПВД.
Рассмотрим принцип действия заявляемого устройства. Пусть в ПВД входит N пространственно-разнесенных антенн. Каждая антенна (фиг. 1) принимает сигнал, несущий информацию о положении цели в пространстве:![]() где комплексный полезный сигнал;t – время; вектор координат и скорости люцируемой цели; радиус вектор точки раскрыва i-ой элементарной антенны;a – случайная нормированная амплитуда; i – случайная фаза; прocтpaнcтвeннo-вpeменной гауссов шум.
Положим, что шумы, действующие в i-ой и j-ой элементарных антеннах, взаимно некоррелированы, так как эти антенны пространственно разнесены.
Определим функционал правдоподобия для неподвижной цели. В локальной системе координат, представленной на фиг. 1 и связанной с i-ой парциальной антенной, фазовый центр которой находится в начале координат, радиус-вектор определяет положение цели (точка C), радиус-вектор определяет точку приема относительно цели, а радиус вектор определяет точку приема в области Li задания функции раскрыва приемной антенны, отраженный от точечной цели и сформированный антенной сигнал имеет вид:![]() где комплексная огибающая излучаемого сигнала; (t) – закон угловой модуляции;ri, Ri – модули соответствующих векторов ![]() c – скорость распространения сигнала; 0 – несущая частота.
Функционал правдоподобия для МПРЛС выглядит [4]:![]() где T= {ai,a2,…,aN, 1, 2,…, N} – вектор несущественных параметров;N0i – спектральная плотность шумов. Предположим вначале, что флуктуации амплитуды сигнала незначительны, тогда усредненный функционал правдоподобия по равномерно распределенным в интервале фазам, будет иметь вид [4]:![]() где I0( ) – модифицированная функция Бесселя нулевого порядка.
Разработанный принцип полугруппового синтеза алгоритмов [5] предполагает вычисление выходного эффекта по формуле:![]() и использование его в уравнении фильтрации: ![]() где оценка вектора состояния; вектор функция-столбец, непрерывная по всем аргументам;K – ковариационная матрица, полученная в соответствии с методом временного усреднения [6]; – оператор Гамильтона ![]() Как видно из (3), для синтеза структуры измерителя необходимо иметь уравнение движения цели (т.е. знать структуру функции с входящими в нее параметрами) и знать структуру дискриминатора, определяемую выходным эффектом F выражения (2).
Для цели, движущейся в плотных слоях атмосферы по баллистической траектории уравнения движения имеют вид [7]:![]() где vi – проекция вектора скорости v на i-ую координату; cx – безразмерный коэффициент силы лобового сопротивления; sM – площадь миделя; m -масса; M[ ] – оператор математического ожидания;M[ ] – средняя плотность атмосферы; флуктуации плотности атмосферы.
В уравнениях (4) силой тяжести будем пренебрегать ввиду большого значения вектора скорости и не учитывать вращение вокруг центра масс, так как цель полагается точечной.
Параметры движения – вектор скорости и вектор координат модулируют радиолокационный сигнал S, который, взаимодействуя с шумами, поступает на антенные решетки МПРЛС.
Предположим, что соблюдаются условия, при которых флуктуацией фазы пренебречь нельзя. Тогда функция F, используя формулы (1) и (2), получит вид:![]() где Sic, Sis -действительная и мнимая составляющие сигнала ![]() В выражении (5) функция ( ) определяется следующей зависимостью: (6)где модифицированная функция Бесселя первого порядка.
В соответствии с алгоритмом (3) определим градиент выходного эффекта:![]() где функция ( ) определяется по следующей формуле:![]() а проекции вектора имеют следующие значения:![]() На фиг. 2 и 3 представлены графики изменения функции и .Для удобства описания работы схемы введем обозначения: ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Sm1i=Rkic2+Rkis2, Sm2ij=RKicPdicj+PdicjPkic+ RdisjPkis+RkisPdisj, Sm3ij=Rdicj+Rdisj, ![]() Выражение (7) в упрощенной форме запишется в виде: ![]() где ![]() или ![]() Структурная схема пространственно-временного дискриминатора определяется выражением (7). Устройство работает следующим образом. Сигналы Zi с антенных решеток 11-1N поступают на входы соответствующих блоков ПВО каждого канала ПВД. При этом в каждом блоке ПВО сигналы поступают на первые входы перемножителей 211-214 коррелятора, в которых они перемножаются с опорными сигналами Sic, Sis и их производными, поступающими на вторые входы с соответствующих выходов блока 31 опорных сигналов. Далее произведение сигналов поступает с выходов перемножителей 211-214 коррелятора на соответствующие входы пространственных интеграторов 411-414, с выхода первого пространственного интегратора 411 пространственная корреляционная функция (ПКФ) поступает на первый вход первого перемножителя 611 сигналов, на вход первого временного интегратора 511 и на второй вход пятого перемножителя 615 сигналов. С выхода второго пространственного интегратора 412 ПКФ поступает на вход второго временного интегратора 512 и на второй вход четвертого перемножителя 614 сигналов. С выхода третьего пространственного интегратора 413 ПКФ поступает на вход третьего временного интегратора 513 и на второй вход седьмого перемножителя 617 сигналов, с выхода четвертого пространственного интегратора 414 сигнал поступает на первый вход второго перемножителя 612 сигналов, на вход четвертого временного интегратора 514 и на второй вход шестого перемножителя 616 сигналов, с выхода первого временного интегратора 511 пространственно-временная корреляционная функция (ПВКФ) поступает на второй вход первого перемножителя 611 сигналов, на первый и второй входы третьего перемножителя 613 сигналов, на первый вход четвертого перемножителя 614 сигналов, с выхода второго временного интегратора 512 ПВКФ поступает на первый вход пятого перемножителя 615 сигналов и на первый вход третьего сумматора 713, с выхода третьего временного интегратора 513 ПВКФ поступает на первый вход шестого перемножителя 616 сигналов и на второй вход третьего сумматора 713, с выхода четвертого временного интегратора 514 ПВКФ поступает на второй вход второго перемножителя 612 сигналов, на первый вход седьмого перемножителя 617 сигналов и на первый и второй вход восьмого перемножителя 618 сигналов, с выхода первого перемножителя 611 сигналов сигнал, пропорциональный произведению Rkic Pkic, поступает на первый вход четвертого сумматора 714, с выхода второго перемножителя 612 сигналов сигнал, пропорциональный произведению Rkis Pkis, поступает на второй вход четвертого сумматора 714, с выхода третьего перемножителя 613 сигналов сигнал, пропорциональный произведению Rkic Rkic, поступает на первый вход первого сумматора 711, с выхода четвертого перемножителя 614 сигналов сигнал, пропорциональный произведению Rkic Pdicj, поступает на первый вход второго сумматора 712, с выхода пятого перемножителя 615 сигналов сигнал, пропорциональный произведению Rdicj Pkis, поступает на второй вход второго сумматора 712, с выхода шестого перемножителя 616 сигналов сигнал, пропорциональный произведению Rdisj Rkis, поступает на третий вход второго сумматора 712, с выхода седьмого перемножителя 617 сигналов сигнал, пропорциональный произведению Rkis Pdisj, поступает на четвертый вход второго сумматора 712, с выхода восьмого перемножителя 618 сигналов сигнал, пропорциональный произведению Rkis Rkis, поступает на второй вход первого сумматора 711, с выхода первого сумматора 711 сигнал, пропорциональный сумме Sm1i, поступает на устройство извлечения квадратного корня 81, на выходе которого формируется сигнал, пропорциональный модулю ПВКФ поступающий на вход первого функционального преобразователя 91, в котором происходит произведение на величину, представленную зависимостью (8), и на вход второго функционального преобразователя 101, в котором происходит произведение на величину, представленную зависимостью (6), с выхода второго сумматора 712 сигнал, пропорциональный сумме Sm2ij, поступает на первый вход девятого перемножителя 619 сигналов, с выхода третьего сумматора 713 сигнал, пропорциональный сумме Sm3ij, поступает на второй вход трехвходового перемножителя 111, с выхода четвертого сумматора 714 сигнал, пропорциональный сумме Sm4i, поступает на третий вход трехвходового перемножителя 111, с выхода первого функционального преобразователя 91 сигнал, пропорциональный произведению поступает на первый вход трехвходового перемножителя 111, с выхода второго функционального преобразователя 101 сигнал, пропорциональный произведению поступает на второй вход девятого перемножителя 619 сигналов, с выхода которого сигнал, пропорциональный произведению поступает на первый вход пятого сумматора 715, с выхода трехвходового перемножителя 111 сигнал, пропорциональный произведению поступает на второй вход пятого сумматора 715, с выходов пятых сумматоров 715-7N5 каждого блока ПВО сигналы, пропорциональные суммам Sm5ij, поступают на соответствующие входы сумматора канала 121, на выходе которых получаем оценку рассогласования между принимаемым и опорным сигналами, представленную выражением (7).
Предложенное устройство обеспечивает повышение точности определения оценки рассогласования между текущими и опорными значениями измеряемых параметров при флуктуации фазы, обусловленной турбулентностью атмосферы. Это происходит за счет реализации в предложенном устройстве пространственно-временной обработки в соответствии с выражением (7). Докажем это.
При когерентной пространственно-временной обработке особую роль играют флуктуации фазы, приводящие к нарушению пространственной когерентности сигналов. Кроме этого, при работе простейшего оптимального приемника, решающего задачу бинарного обнаружения, флуктуация фазы увеличивает полную вероятность ошибки, представленную выражением:Pош=P(0)Pлт+P(uc)Pпр, где uc(t) = cos( t+ 0) – входное колебание; 0 – несущая частота;P(0) – априорная вероятность того, что сигнал на входе оптимального обнаружителя равен нулю; P(uc) – априорная вероятность того, что сигнал на входе оптимального обнаружителя равен uc; Pлт и Pпр – условные вероятности ложных тревог и пропусков сигнала. Докажем последнее утверждение. Как уже отмечалось, P(0) и P(uc) – априорные вероятности, полагаются известными, Pлт от флуктуаций не зависит. Найдем условную вероятность пропуска Pпр для сигнала с флуктуацией, обусловленной неоднородной средой распространения. Из [3] известно, что пропуск сигнала соответствует случаю выполнения неравенства ![]() где U0 – пороговое смещение на выходе приемника; uc(t, ) – сигнал, несущий информацию о положении цели; – случайная фаза;Pпр – вероятность выполнения неравенства (10), в котором определяется формулой:![]() где N0 – спектральная плотность шума. Раскрывая скобки, получаем: ![]() Величина ( ), определяемая соотношением (1), имеет закон распределения:![]() где ![]() где Q – энергия сигнала. Следовательно, вероятность пропуска сигнала с флуктуацией фазы для прототипа равна: ![]() где ![]() Вероятность пропуска сигнала, усредненного по равномерно-распределенным фазам для прототипа, равна: ![]() Вероятность пропуска сигнала для предлагаемого устройства после обработки этого сигнала с флуктуацией фазы будет определяться: ![]() Введем величину, характеризующую выигрыш, получаемый в результате применения предлагаемого устройства в сравнении с прототипом: ![]() На фиг. 5 представлен график изменения выигрыша в зависимости от отношения сигнал/шум. Таким образом, как следует из фиг. 5, предложенное устройство обеспечивает выигрыш в качестве обработки сигналов. Задача, решаемая заявляемым устройством, – повышение точности определения оценки рассогласования между текущими и опорными значениями измеряемых параметров при флуктуации фазы, обусловленной турбулентностью атмосферы, решена. Устройство можно реализовать следующим образом. Устройства извлечения квадратного корня, перемножители, сумматоры, временные интеграторы реализуются различными известными способами с использованием операционных усилителей [8, 9], первый и второй функциональные преобразователи можно реализовать с помощью нелинейного блока [8] или на основе операционных усилителей [8, 9]. Пространственный интегратор можно реализовать с помощью полосковых делителей мощности [10]. Источники информации 1.Коростылев А.А. Пространственно-временная теория радиосистем. Уч. пособие для вузов. – М.: Радио и связь, 1987. 2. Теоретические основы радиолокации. Уч. пособие для вузов. А.А.Коростылев, H.Ф. Клюев, Ю.А.Мельник и др. Под ред. Дулевича. 2-е изд., перераб. и доп. – M.: Сов. радио, 1978. 3. Гуткин Л.С. Теория оптимальных методов радиоприема при флуктуационных помехах. Изд. 2-е, дополненное и переработанное. – М.: Советское радио, 1972. 4. Пространственно-временная обработка сигналов / И.Я. Кремер, А.И. Кремер, В.М. Петров и др.; Под ред. И.Я. Кремера. -М.: Радио и связь, 1984. 5. Булычев Ю. Г., Таран В.Н., Хуторцев В.В. Р.Э. 1987. Т. 32., N 6. с. 1251. 6. Ярлыков М. С. Применение марковской теории нелинейной фильтрации в радиотехнике. М.: Сов. радио, 1980. 7. Аппазаров Р.Ф., Сытин О.Г. Методы проектирования траекторий носителей и спутников Земли. М.: Наука, 1987. 8. Математическое обеспечение ABK-31. Библиотеки. ПTО.132.002 Д2. 1978. 9. Алексеенко А.Г., Шагурин И.И. Микросхемотехника: Уч. пособие для вузов/Под ред. И.П. Степаненко. -М.: Радио и связь, 1982. 10. Антенны и устройства СВЧ. Проектирование фазированных антенных решеток. Уч. пособие для вузов /В.С. Филлипов, Л.И.Пономарев, А.Ю. Гринев и др. ; Под ред. Д.И. Воскресенского. 2-е изд., доп. и перераб. -М.: Радио и связь, 1994. Формула изобретения
РИСУНКИ
MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе
Дата прекращения действия патента: 11.01.2001
Номер и год публикации бюллетеня: 2-2003
Извещение опубликовано: 20.01.2003
|
||||||||||||||||||||||||||

/2, приемник измерительного сигнала) передатчик, антенный переключатель, приемник опорного сигнала, автоматический регулятор усиления, синхронный детектор и входящий в следящий измеритель направления (СИН). СИН определяет текущие угловые координаты объекта путем непрерывного отслеживания направления прихода волны опорным направлением антенны. В режиме слежения измеритель отслеживает лишь плавные, закономерные изменения угловых координат, а случайные возмущения подавляются: при этом положение опорного направления становится оценкой направления на объект. Поскольку угловых координаты две, используют два контура слежения, которые почти всегда независимы. Однако в данном устройстве при приеме сигналов с флуктуацией фазы, обусловленной турбулентностью атмосферы, возникают большие погрешности в определении оценки рассогласований между текущим и опорным значениями измеряемых параметров.
Таким образом, недостатком данного устройства является невысокая точность определения оценки рассогласований между текущим и опорным значениями измеряемого параметра сигнала из-за флуктуаций фазы, обусловленных турбулентностью атмосферы. Так как при наличии данных флуктуаций увеличивается вероятность пропуска сигнала, а следовательно и общая вероятность ошибки [3] .
Задача, решаемая заявляемым устройством, – повышение точности определения оценки рассогласования между текущим и опорным значениями измеряемых параметров при флуктуации фазы, обусловленной турбулентностью атмосферы.
Предлагается пространственно-временной дискриминатор (ПВД), содержащий антенную решетку.
В отличие от прототипа в него дополнительно введено N-1 антенных решеток и шесть идентичных каналов ПВД. Каждый канал включает N идентичных блоков пространственно-временной обработки (ПВО) и один сумматор канала. Каждый блок ПВО состоит из четырех перемножителей коррелятора, первые входы которых соединены с выходом соответствующей антенны, блока опорных сигналов с шестью входами и четырьмя выходами, соединенными со вторыми входами соответствующих перемножителей коррелятора, четырех пространственных интеграторов, входах которых соединены с выходами соответствующих перемножителей коррелятора, четырех временных интеграторов, входы которых соединены с выходами соответствующих пространственных интеграторов, девяти перемножителей сигналов, при этом первый вход первого перемножителя сигналов соединен с выходом первого пространственного интегратора, второй вход – с выходом первого временного интегратора, первый вход второго перемножителя сигналов соединен с выходом четвертого пространственного интегратора, второй вход – с выходом четвертого временного интегратора, первый и второй вход третьего перемножителя сигналов соединены с выходом первого временного интегратора, первый вход четвертого перемножителя сигналов соединен с выходом первого временного интегратора, второй вход – с выходом второго пространственного интегратора, первый вход пятого перемножителя сигналов соединен с выходом второго временного интегратора, второй вход – с выходом первого пространственного интегратора, первый вход шестого перемножителя сигналов соединен с выходом третьего временного интегратора, второй вход – с выходом четвертого пространственного интегратора, первый вход седьмого перемножителя сигналов соединен с выходом четвертого временного интегратора, второй вход – с выходом третьего пространственного интегратора, первый и второй входы восьмого перемножителя сигнала соединены с выходом четвертого временного интегратора, пяти сумматоров, при этом первый вход первого сумматора соединен с выходом третьего перемножителя сигналов, второй вход – с выходом восьмого перемножителя сигналов, первый вход второго сумматора соединен с выходом четвертого перемножителя сигналов, второй вход – с выходом пятого перемножителя сигналов, третий вход – с выходом шестого перемножителя сигналов, четвертый вход – с выходом седьмого перемножителя сигналов, первый вход третьего сумматора соединен с выходом второго временного интегратора, второй вход – с выходом третьего временного интегратора, первый вход четвертого сумматора соединен с выходом первого перемножителя сигналов, второй вход – с выходом второго перемножителя сигналов, устройства извлечения квадратного корня, вход которого соединен с выходом первого сумматора, первого и второго функциональных преобразователей, входы которых соединены с выходом устройства извлечения квадратного корня, трехвходового перемножителя, первый вход которого соединен с выходом третьего сумматора, второй вход – с выходом первого функционального преобразователя, третий вход – с выходом четвертого сумматора, выход второго сумматора соединен с первым входом девятого перемножителя сигналов, выход второго функционального преобразователя соединен со вторым входом девятого перемножителя сигналов, первый вход пятого сумматора соединен с выходом девятого перемножителя сигналов, второй вход пятого сумматора соединен с выходом трехвходового перемножителя. Выход пятого сумматора является выходом соответствующего блока ПВО и соединен с соответствующим входом сумматора канала, выход которого является выходом соответствующего канала ПВД. Точность определения оценки рассогласования между текущим и опорным значениями измеряемых параметров при флуктуации фазы, обусловленной турбулентностью атмосферы, данным устройством повышается за счет усреднения функционала правдоподобия по равномерно распределенным в интервале [0,2
,
системы координат,
радиус-вектор, который определяет положение цели,
радиус-вектор, определяющий точку приема в области Li задания функции раскрыва
j-ой элементарной антенны, при этом Li – совпадает с плоскостью XY; положение точки приема задается полярными координатами
,
;
– угол между векторами
радиус-вектор, определяющий точку приема относительно цели. На фиг. 2 и 3 показаны графики изменения функций
и
, реализованных первым и вторым функциональным преобразователем. На фиг. 4 представлена структурная схема ПВД и приняты следующие обозначения: 11-1N антенные решетки, 211-2N4 – перемножители корреляторов, 31-3N блоки опорных сигналов, 411-4N4 – пространственные интеграторы, 511-5N4 временные интеграторы, 611-6N9 – перемножители сигналов, 711-7N5 – сумматоры, 81-8N – устройство извлечения корня, 91-9N – первый функциональный преобразователь, 101-10N – второй функциональный преобразователь, 1111-11N – трехвходовый перемножитель, 121-12N – сумматор канала. На фиг. 5 представлен график изменения выигрыша в зависимости от отношения сигнал/шум. При этом в нумерации блоков принято следующее правило: первый индекс соответствует номеру блока в канале ПВД, второй индекс соответствует номеру устройства в блоке ПВО.
Рассмотрим работу ПВД в статике. Выходы антенных решеток 11-1N соединены с первыми входами перемножителей 211-2N4 коррелятора соответствующих блоков ПВО каждого канала ПВД. В каждом блоке ПВО выходы блока 31-3N опорных сигналов соединены с вторыми входами соответствующих перемножителей 211-2N4 коррелятора. Входы пространственных интеграторов 411-4N4 соединены с выходами соответствующих перемножителей 211-2N4 коррелятора. Входы временных интеграторов 511-5N4 соединены с выходами соответствующих пространственных интеграторов 411-4N4. Первый вход левого перемножителя 611 сигналов соединен с выходом первого пространственного интегратора 411, второй вход с выходом первого временного интегратора 511. Первый вход второго перемножителя 612 сигналов соединен с выходом четвертого пространственного интегратора 414, второй вход – с выходом четвертого временного интегратора 514. Первый и второй вход третьего перемножителя 613 сигналов соединены с выходом первого временного интегратора 511. Первый вход четвертого перемножителя 614 сигналов соединен с выходом первого временного интегратора 511, второй вход – с выходом второго пространственного интегратора 412. Первый вход пятого перемножителя 615 сигналов соединен с выходом второго временного интегратора 512, второй вход – с выходом первого пространственного интегратора 411. Первый вход шестого перемножителя 616 сигналов соединен с выходом третьего временного интегратора 513, второй вход – с выходом четвертого пространственного интегратора 414. Первый вход седьмого перемножителя 617 сигналов соединен с выходом четвертого временного интегратора 514, второй вход – с выходом третьего пространственного интегратора 413. Первый и второй входы восьмого перемножителя 618 сигнала соединены с выходом четвертого временного интегратора 514. Первый вход первого сумматора 711 соединен с выходом третьего перемножителя сигналов 613, второй вход – с выходом восьмого перемножителя 618 сигналов. Первый вход второго сумматора 712 соединен с выходом четвертого перемножителя 614 сигналов, второй вход – с выходом пятого перемножителя 615 сигналов, третий вход – с выходом шестого перемножителя 616 сигналов, четвертый вход – с выходом седьмого перемножителя 617 сигналов. Первый вход третьего сумматора 713 соединен с выходом второго временного интегратора 512, второй вход – с выходом третьего временного интегратора 513. Первый вход четвертого сумматора 714 соединен с выходом первого перемножителя сигналов 611, второй вход – с выходом седьмого перемножителя 617 сигналов. Вход устройства извлечения квадратного корня 81 соединен с выходом первого сумматора 711. Входы первого и второго функциональных преобразователей 91 и 101 соединены с выходом устройства извлечения квадратного корня 81. Первый вход трехвходового перемножителя 111 соединен с выходом третьего сумматора 713, второй вход – с выходом первого функционального преобразователя 91, третий вход – с выходом четвертого сумматора 714. Вход второго сумматора 712 соединен с первым входом девятого перемножителя 619 сигналов. Выход второго функционального преобразователя 101 соединен со вторым входом девятого перемножителя 619 сигналов. Первый вход пятого сумматор 715 соединен с выходом девятого 619 перемножителя сигналов, второй вход соединен с выходом трехвходового перемножителя 111. Выход пятого сумматора 715 является выходом соответствующего блока ПВО и соединен с соответствующим входом сумматора 121 канала ПВД, выход которого является выходом соответствующего канала, выход которого является соответствующим выходом ПВД.
Рассмотрим принцип действия заявляемого устройства. Пусть в ПВД входит N пространственно-разнесенных антенн. Каждая антенна (фиг. 1) принимает сигнал, несущий информацию о положении цели в пространстве:
комплексный полезный сигнал;
вектор координат и скорости люцируемой цели;
радиус вектор точки раскрыва i-ой элементарной антенны;
i – случайная фаза;
прocтpaнcтвeннo-вpeменной гауссов шум.
Положим, что шумы, действующие в i-ой и j-ой элементарных антеннах, взаимно некоррелированы, так как эти антенны пространственно разнесены.
Определим функционал правдоподобия для неподвижной цели. В локальной системе координат, представленной на фиг. 1 и связанной с i-ой парциальной антенной, фазовый центр которой находится в начале координат, радиус-вектор
определяет положение цели (точка C), радиус-вектор
определяет точку приема относительно цели, а радиус вектор
определяет точку приема в области Li задания функции раскрыва
приемной антенны, отраженный от точечной цели и сформированный антенной сигнал имеет вид:
комплексная огибающая излучаемого сигнала;
(t) – закон угловой модуляции;
0 – несущая частота.
Функционал правдоподобия для МПРЛС выглядит [4]:
T= {ai,a2,…,aN,
фазам, будет иметь вид [4]:
) – модифицированная функция Бесселя нулевого порядка.
Разработанный принцип полугруппового синтеза алгоритмов [5] предполагает вычисление выходного эффекта по формуле:

оценка вектора состояния;
вектор функция-столбец, непрерывная по всем аргументам;
– оператор Гамильтона 
с входящими в нее параметрами) и знать структуру дискриминатора, определяемую выходным эффектом F выражения (2).
Для цели, движущейся в плотных слоях атмосферы по баллистической траектории уравнения движения имеют вид [7]:
флуктуации плотности атмосферы.
В уравнениях (4) силой тяжести будем пренебрегать ввиду большого значения вектора скорости и не учитывать вращение вокруг центра масс, так как цель полагается точечной.
Параметры движения – вектор скорости
и вектор координат
модулируют радиолокационный сигнал S, который, взаимодействуя с шумами, поступает на антенные решетки МПРЛС.
Предположим, что соблюдаются условия, при которых флуктуацией фазы пренебречь нельзя. Тогда функция F, используя формулы (1) и (2), получит вид:

(6)
модифицированная функция Бесселя первого порядка.
В соответствии с алгоритмом (3) определим градиент выходного эффекта:

имеют следующие значения:













поступающий на вход первого функционального преобразователя 91, в котором происходит произведение на величину, представленную зависимостью (8), и на вход второго функционального преобразователя 101, в котором происходит произведение на величину, представленную зависимостью (6), с выхода второго сумматора 712 сигнал, пропорциональный сумме Sm2ij, поступает на первый вход девятого перемножителя 619 сигналов, с выхода третьего сумматора 713 сигнал, пропорциональный сумме Sm3ij, поступает на второй вход трехвходового перемножителя 111, с выхода четвертого сумматора 714 сигнал, пропорциональный сумме Sm4i, поступает на третий вход трехвходового перемножителя 111, с выхода первого функционального преобразователя 91 сигнал, пропорциональный произведению
поступает на первый вход трехвходового перемножителя 111, с выхода второго функционального преобразователя 101 сигнал, пропорциональный произведению
поступает на второй вход девятого перемножителя 619 сигналов, с выхода которого сигнал, пропорциональный произведению
поступает на первый вход пятого сумматора 715, с выхода трехвходового перемножителя 111 сигнал, пропорциональный произведению
поступает на второй вход пятого сумматора 715, с выходов пятых сумматоров 715-7N5 каждого блока ПВО сигналы, пропорциональные суммам Sm5ij, поступают на соответствующие входы сумматора канала 121, на выходе которых получаем оценку рассогласования между принимаемым и опорным сигналами, представленную выражением (7).
Предложенное устройство обеспечивает повышение точности определения оценки рассогласования между текущими и опорными значениями измеряемых параметров при флуктуации фазы, обусловленной турбулентностью атмосферы. Это происходит за счет реализации в предложенном устройстве пространственно-временной обработки в соответствии с выражением (7). Докажем это.
При когерентной пространственно-временной обработке особую роль играют флуктуации фазы, приводящие к нарушению пространственной когерентности сигналов. Кроме этого, при работе простейшего оптимального приемника, решающего задачу бинарного обнаружения, флуктуация фазы увеличивает полную вероятность ошибки, представленную выражением:
определяется формулой:







