Способы построения структуры цифрового приемника траекторного сигнала и алгоритмы его обработки на основе многоскоростной адаптивной фильтрации

В настоящее время во многих районах мира сохраняется угроза возникновения региональных военных конфликтов на суше и на море. В связи с этим для государств таких регионов имеет большое значение наличие многофункциональных самолетов, которые наряду с борьбой с воздушным противником могут выполнять ударные (штурмовые) задачи по наземным и надводным целям. К числу таких самолетов принадлежат двухместные отечественные истребители Су-30 и Су-27УБ. Однако существовавший ранее комплекс бортового радиоэлектронного оборудования этих самолетов был разработан достаточно давно и не отвечал современным требованиям. Поэтому потребовалась его модернизация, цель которой состояла в дальнейшем расширении боевых возможностей истребителей в борьбе с воздушным противником и введении новых режимов работы, предназначенных для поражения наземных и надводных объектов.

В то же время истребители аналогичного класса, находящиеся на вооружении НАТО, а именно Б-15, Б-16, Б-18, начали оснащаться РЛС нового поколения с полностью цифровой обработкой траекторного сигнала, что значительно расширило функциональные возможности самолетов и повысило эффективность их боевого применения, в первую очередь по наземным и надводным целям. Аналогичные задачи решались отечественными разработчиками. Однако резкое сокращение объемов финансирования НИОКР в 90-х годах не позволило решить поставленную проблему путем полного переоборудования радиолокационного прицельного комплекса истребителей (РЛПК Н001). В этих условиях была выдвинута концепция «обводного канала», в соответствии с которой полностью сохранялось существующее радиоэлектронное оборудование и соответствующие режимы его работы, а, следовательно, и все то, что было ранее наработано в течение длительных летных испытаний и многочисленных заводских доводок, обучения летчиков и наземных специалистов, создания тренажеров и учебных комплексов. Суть модернизации заключалась во введении дополнительной системы управления вооружением самолетов в режиме «воздух-поверхность» путем наращивания возможностей бортового радиолокационного комплекса (БРЛК) за счет новых элементов и алгоритмов.

Одним из центральных элементов дополнительного оборудования является цифровой приемник траекторного сигнала, который строится с применением современных цифровых сигнальных процессоров и решает весь комплекс задач радиовидения на этапе формирования радиолокационного изображения (РЛИ) и селекции наземных (надводных) движущихся целей (НДЦ).

Введение

процессора обработки сигналов в состав БРЛК поставило перед разработчиками целый комплекс научно-технических задач, связанных с созданием эффективного программно-алгоритмического обеспечения его работы в различных режимах картографирования земной поверхности и селекции НДЦ.

Объектом исследований настоящей диссертационной работы являются способы построения структуры цифрового приемника траекторного сигнала и алгоритмов его обработки при решении задач радиовидения, связанных с формирование РЛИ и селекцией НДЦ. Предмет исследований — повышение разрешающей способности, точности и скорости формирования РЛИ, а также уменьшение вычислительных затрат и памяти данных путем использования многоскоростной адаптивной фильтрации траекторного сигнала.

Актуальность темы

Проблема формирования радиолокационного изображения земной поверхности в реальном времени остается одной из актуальных при решении задач радиовидения, несмотря на появление большого количества публикаций в этой области, отражающих целый спектр новых методов и алгоритмов обработки траекторного сигнала с целью повышения качества изображения [1−13].

Основная цель при формировании РЛИ и последующего распознавания и селекции НДЦ — достижение максимальной разрешающей способности и качества изображения в условиях реальных ограничений, связанных с уходом параметров принимаемого траекторного сигнала за время синтезирования, неточностью измерения и нестабильностью полетных характеристик носителя БРЛК скорость, ускорение, траектория полета), воздействием широкого спектра шумов и помех, как внешних, так и внутренних (на фоне маломощного принимаемого сигнала от удаленных радиоотражателей), отклонениями в формировании заданной диаграммы направленности антенны (ДНА) и характеристик приемопередающего тракта.

Решение проблемы формирования качественного РЛИ в условиях перечисленных выше ограничений возможно одним из двух подходов. Либо путем максимального снятия ограничивающих факторов при более качественном техническом исполнении всех элементов проектируемой системы радиовидения и более строгом выдерживании полетных характеристик (к чему надо всегда стремиться, по мере возможности), либо путем использования более совершенных адаптивных алгоритмов цифровой обработки траекторного сигнала и самого изображения, что предъявляет особые требования к бортовому вычислительному комплексу, обеспечивающему высокую вычислительную производительность (до 10 и более миллиардов операций в секунду). Созданные за последние годы многопроцессорные модули цифровой обработки сигналов (ЦОС) на базе мощных сигнальных процессоров и ПЛИС позволяют достигнуть подобной вычислительной производительности [14−16]. Таким образом, разработка новых алгоритмов адаптивной частотно-временной и пространственной обработки траекторного сигнала не только сохраняет свою актуальность в теоретическом плане, но и становится реально исполнимой современными БРЛК. Вместе с тем, ограничения на фактически выделяемые вычислительные ресурсы всегда остаются: растут ресурсы, — открываются новые возможности для решения все более сложных задач в постоянно расширяющемся диапазоне час- -тот и сокращении времени на обработку. Поэтому актуальной остается и проблема минимизации требуемых вычислительных ресурсов, что в первую очередь относится к формированию и обработке РЛИ в реальном времени.

Известно [17−20], что одним из наиболее эффективных способов минимизации вычислительных затрат при решении широкого круга задач ЦОС является многоскоростная обработка сигналов, использующая понижение и повышение частоты дискретизации. Идея последовательного понижения частоты дискретизации траекторного сигнала при переходе от внутрипериод-ной к межпе-риодной обработке и самого РЛИ при его последующем формировании и отображении на индикаторе естественно не обошла вниманием и специалистов в области радиовидения [1,2].

Целью настоящей диссертационной работы является разработка и исследование способов построения структуры цифрового приемника траекторного сигнала и алгоритмов его обработки с применением многоскоростной адаптивной фильтрации.

Достижение поставленной цели предполагает решение следующих задач:

1. Разработка структуры цифрового приемника траекторного сигнала и алгоритмов формирования РЛИ с применением многоскоростной адаптивной фильтрации в режиме ДОЛ.

2. Разработка структуры цифрового приемника траекторного сигнала и алгоритмов формирования РЛИ с применением многоскоростной адаптивной фильтрации в режиме ФСА.

3. Исследование эффективности многоскоростной адаптивной фильтрации траекторного сигнала при решении задач картографирования земной по-' верхности в режимах ДОЛ и ФСА.

4. Разработка структуры цифрового приемника траекторного сигнала и алгоритмов селекции НДЦ с применением многоскоростной адаптивной фильтрации и исследование их эффективности.

5. Разработка и исследование способов построения структуры цифрового приемника траекторного сигнала в БРЛК с двухдиапазонной ФАР.

6. Разработка обобщенной структуры цифрового приемника траекторного сигнала в задачах формирования РЛИ и обнаружения НДЦ.

7. Моделирование и экспериментальные исследования способов и алго-' ритмов формирования РЛИ и селекции НДЦ с применением многоскоростной адаптивной фильтрации.

Методы исследований. При решении поставленных задач использовались теория и методы цифровой обработки сигналов, включающие в себя: методы частно-временной селекции и спектрального анализа, многоскоростной и адап-' тивной фильтрации, оптимального проектирования многопроцессорных систем ЦОС. Теоретические исследования проводились с применением математического аппарата статистической радиотехники, радиолокации и радиовидения, методов оптимизации и имитационного моделирования.

Научная новизна:

1. Разработаны структуры цифрового приемника траекторного сигнала и алгоритмы формирования РЛИ с применением многоскоростной адаптивной фильтрации в режимах ДОЛ и ФСА картографирования земной поверхности.

2. Разработаны структуры цифрового приемника траекторного сигнала и алгоритмы селекции НДЦ с применением многоскоростной 'адаптивной фильтрации.

3. Предложены способы совмещения апертур двухдиапазоннои ДНА и модификация структуры цифрового приемника траекторного сигнала на их основе.

4. Проведено исследование и оценка эффективности способов и алгоритмов формирования РЛИ и селекции НДЦ с применением многоскоростной адаптивной фильтрации.

Практическая значимость. Предложенные способы построения структуры цифрового приемника траекторного сигнала и алгоритмы его обработки позволяют:

1. Многократно (на порядок и более) уменьшить объем вычислительных затрат и памяти данных при решении задач радиовидения в реальном времени, за счет введения предварительной обработки с многоступенчатым понижением частоты дискретизации.

2. Увеличить разрешающую способность БРЛК по азимутальному направлению в режимах переднего и передне-бокового обзора путем' адаптации к спектральной структуре траекторного сигнала и увеличения интервала синтезирования РЛИ.

3. Повысить вероятность обнаружения и разрешающую способность БРЛК в режиме селекции НДЦ при использовании перестраиваемого режекторного фильтра и последующей многоскоростной частотно-временной обработки с адаптацией к спектральной структуре траекторного сигнала.

4. Многократно (почти на порядок) увеличить разрешающую способность БРЛК в режиме переднего обзора путем введения двухдиапазон-ной ФАР и соответствующей модификации структуры цифрового приемника траекторного сигнала.

Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы внедрены на предприятии ФГУП «ГРПЗ» при модернизации серийно выпускаемых БРЛК систем управления вооружением (СУВ с БРЛК Н001) для самолетов Су-ЗОМКК и Су-30МК2. Планируется их дальнейшее внедрение для отечественных самолетов Су-27М, а также транспортного вертолета Ми-8ГМ.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Способы построения структуры цифрового приемника траекторного сигнала на основе многоскоростной адаптивной фильтрации в режиме ДОЛ секторного и панорамного обзоров с покадровым формированием РЛИ, отличающиеся многоступенчатой реализацией набора полосовых фильтров-дециматоров предварительной обработки, что позволяет многократно уменьшить объем вычислительных затрат и памяти данных.

2. Способы построения структуры цифрового приемника траекторного сигнала в режиме селекции НДЦ, отличающиеся использованием многоскоростной адаптивной обработки как на этапе режекции узкополосной помехи от земной поверхности и неподвижных объектов, так и на этапе последующего частотно-временного разделения сигналов от НДЦ, что позволяет повысить эффективность обнаружения НДЦ и уменьшить вычислительные затраты.

3. Алгоритмы обработки траекторного сигнала на основе многоскоростной адаптивной фильтрации в режимах ДОЛ, ФСА и СНДЦ секторного, телескопического и панорамного обзоров, позволяющие увеличить разрешающую способность приемника и, как следствие, улучшить качество формирования РЛИ.

4. Оценки влияния рассогласования параметров траекторного сигнала и опорной функции, а также шума приемника на качество формирования РЛИ в режиме ФСА и рекомендации по выбору числа опорных функций и интервала синтезирования.

Апробация работы. Основные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 17-ой и 18-ой НТК НИИ приборостроения имени В. В. Тихомирова (г.Жуковский, 2002 и 2005 гг.) — симпозиуме «Электронное управление лучом в бортовых радиолокационных комплексах» (г. Рязань, 2000 г.) — 9-ой МНТК «Цифровая обработка сигналов и ее применение-Б8РА'2007» (г. Москва, ИЛУ РАН, 2007 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 18 работ, среди которых: 4 статьи в периодических изданиях, рекомендованных ВАК, 4 патента на способ, 3 статьи в центральных профильных журналах, 6 <докладов в трудах и тезисах международных и отраслевых конференций и одно авторское свидетельство на полезную модель.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В ходе выполнения диссертационной работы и по ее результатам были сформулированы следующие научные положения и выводы:

1. В основе модернизации БРЛК действующих систем управления' вооружением при введении режима «воздух-поверхность» лежит концепция «обводного канала», предполагающая необходимость разработки дополнительного канала обработки траекторного сигнала на основе цифрового приемника, реализующего весь спектр алгоритмов его обработки от предварительной фильтрации до формирования РЛИ в различных режимах обзора земной поверхности и селекции НДЦ.

2. Последующим этапом модернизации БРЛК является реализация концепции двухдиапазонной ФАР в режиме «воздух-поверхность», которая требует учета взаимного влияния совмещения СМ и ММ-диапазонов в одной' апертуре антенны и модификации способов и алгоритмов обработки траекторного сигнала цифровым приемником.

3. Разработка способов построения структуры цифрового приемника траекторного сигнала и эффективных алгоритмов его обработки во всех режимах обзора и картографирования земной поверхности, а также селекции НДЦ, напрямую связана с применением многоскоростной и адаптивной фильтрации в их различных сочетаниях.

4. Многоскоростная предварительная обработка в сочетании с элементами адаптации цифровых полосовых фильтров-дециматоров — это способ' значительного уменьшения вычислительных затрат, повышения разрешающей способности и помехоустойчивости алгоритмов спектрального анализа и, как следствие, качества изображения, обеспечения гибкости и оперативности всей системы формирования РЛИ.

5. Секторный обзор с использованием сканирующей узкополосной ДНА в сочетании с последующей полосовой фильтрацией является способом пространственно-частотной селекции траекторного сигнала, в котором решающую роль, с указанных выше позиций, играет цифровой фильтр-дециматор, перестраиваемый по центральной частоте и ширине полосы пропускания, в зависимости от текущего азимутального направления ДНА.

6. С уменьшением азимутального направления центра ДНА от 59° до 3° ширина полосы доплеровских частот траекторного сигнала уменьшается приблизительно в 1 б раз, что позволяет уменьшить частоту дискретизации от 2 до 16 раз в диапазоне дальностей 80−160 км и от 8 до 132 раз в диапазоне дальностей 10−20 км.

7. Максимально допустимое число частотных (азимутальных) каналов в полосе траекторного сигнала практически не зависит от скорости носителя и азимутального направления ДНА в заданном диапазоне дальностей, если с уменьшением (увеличением) скорости или азимутального направления и пропорциональном сужении (расширении) полосы доплеровских частот адаптивно увеличивается (уменьшается) время синтезирования.

8. Панорамный обзор с покадровым формированием РЛИ, опирающийся полностью на частотно-временную селекцию траекторного сигнала, является альтернативой медленному секторному обзору при относительно небольших дальностях (до 20 км).

9. Предложенный способ построения структуры цифрового приемника траекторного сигнала на основе многоскоростной обработки для эффективной реализации панорамного обзора имеет следующие преимущества:

— «адаптируемость» к изменениям спектральной структуры траекторного сигнала в зависимости от азимутального направления ДНА;

— многократное уменьшение размерности последующего ДПФ-преобразования или согласованного фильтра и, как следствие, уменьшение памяти данных и коэффициентов, времени обработки и собственных шумов, а также возможность использования параметрических методов спектрального анализа;

— повышение помехоустойчивости системы за счет предварительной узкополосной фильтрации;

— существенное уменьшение требуемых вычислительных затрат.

10. В режиме ФСА путем учета и компенсации ЛЧМ по каждому частотному (азимутальному) каналу траекторного сигнала можно многократно (в десятки раз) увеличить разрешающую способность по азимуту. Однако требование точного совпадения опорной функции и траекторного сигнала по каждому азимутальному каналу на всем многократно увеличенном интервале синтезирования наталкивается на две проблемы: увеличению памяти коэффициентов до нескольких сотен миллиардов слов и необходимости реализации высокоточных алгоритмов «автофокусировки» опорных функций к траекторным не-стабильностям носителя БРЛК.

11. Оценка влияния рассогласования параметров траекторного сигнала и опорных функций на качество формирования РЛИ показала, что в заданном поле допусков на уход доплеровских частот в пределах требуемой разрешающей способности по частоте, определяемом интервалом синтезирования, возможно уменьшение необходимого числа опорных функций в тысячи и десятки тысяч раз. При этом введение предварительной обработки с помощью входного перестраиваемого фильтра-дециматора дает дальнейшее уменьшение-памяти коэффициентов от 3 до 12 раз и более.

12. Предложенный способ построения структуры цифрового приемника траекторного сигнала в режиме ФСА на основе многоскоростной адаптивной обработки позволяет обеспечить:

— «адаптируемость» к изменениям спектральной структуры траекторного сигнала в зависимости от заданных параметров пространственного положения ДНА, а также выделяемого окна телескопического обзора за счет быстрой и эффективной перестройки входного полосового фильтра-дециматора;

— понижение частоты дискретизации траекторного сигнала на входе параллельного набора компенсаторов ЛЧМ и процессора ДПФ с пропорциональным уменьшением порядка преобразования N и, как следствие, вычислительных затрат, памяти данных и собственного шума;

— повышение соотношения «сигналшум» на входе устройства формирования РЛИ для относительно узкополосного траекторного сигнала переднего и передне-бокового обзоров.

13. Предложенные в работе алгоритмы селекции НДЦ отличаются исключительной гибкостью и адаптируемостью к спектрально-временной структуре принимаемого траекторного сигнала, высокой разрешающей способностью, повышенной помехоустойчивостью и вычислительной эффективностью.

14. Использование многоскоростной и адаптивной обработки траекторного сигнала дает возможность более эффективно обнаруживать и измерять параметры движения как быстро, так и медленно маневрирующих объектов.

15. Предложенные способы построения структуры цифрового приемника траекторного сигнала, работающего в режиме СНДЦ, обеспечивают обнаружение и измерение параметров движущихся объектов с учетом их доплеровских скоростей и азимутального положения.

16. Предложенный метод построения адаптивного режекторного фильтра в классе КИХ-цепей с использованием децимации и интерполяции (в общем случае многоступенчатой) позволяет значительно уменьшить вычислительные затраты и обеспечить адекватное подавление помехи от подстилующей земной поверхности, используя информацию о спектральной структуре траекторного сигнала, полученную в процессе формирования РЛИ в режиме ДОЛ.

17. При использовании однолучевой ДНА предложенный алгоритм селекции НДЦ со «скользящем» пространственным окном анализа и последующей частотно-временной обработкой дает возможность многократно увеличить точность определения азимутального положения малоподвижных целей, попадающих в общую полосу частот с траекторным сигналом, формируемым подстилающей земной поверхностью.

По результатам проведенных в диссертационной работе исследований можно сделать вывод, что поставленная цель — разработка новых способов построения структуры цифрового приемника траекторного сигнала и алгоритмов его обработки с применением многоскоростной адаптивной фильтрации, достигнута. В диссертационной работе решена крупная научно-техническая задача, связанная с созданием программно-алгоритмического обеспечения и технических средств комплекса бортового радиоэлектронного оборудования многофункциональных самолетов, отвечающих современным требованиям боевого применения не только по воздушным, но и по наземным и надводным целям.