[go: up one dir, main page]

RU2293997C1 - Method for correlation processing of signals, reflected from fast-moving targets - Google Patents

Method for correlation processing of signals, reflected from fast-moving targets Download PDF

Info

Publication number
RU2293997C1
RU2293997C1 RU2005128998/09A RU2005128998A RU2293997C1 RU 2293997 C1 RU2293997 C1 RU 2293997C1 RU 2005128998/09 A RU2005128998/09 A RU 2005128998/09A RU 2005128998 A RU2005128998 A RU 2005128998A RU 2293997 C1 RU2293997 C1 RU 2293997C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
signal
target
signals
time
acceleration
Prior art date
Application number
RU2005128998/09A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
В чеслав Алексеевич Сапрыкин (RU)
Вячеслав Алексеевич Сапрыкин
Алексей Иванович Яковлев (RU)
Алексей Иванович Яковлев
Алексей В чеславович Сапрыкин (RU)
Алексей Вячеславович Сапрыкин
Дмитрий Александрович Бескин (RU)
Дмитрий Александрович Бескин
Original Assignee
Военно-морской институт радиоэлектроники им. А.С. Попова
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Военно-морской институт радиоэлектроники им. А.С. Попова filed Critical Военно-морской институт радиоэлектроники им. А.С. Попова
Priority to RU2005128998/09A priority Critical patent/RU2293997C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2293997C1 publication Critical patent/RU2293997C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)
  • Radar Systems Or Details Thereof (AREA)

Abstract

FIELD: special radio engineering, possible use in systems for detecting and tracking moving objects.
SUBSTANCE: it is known, that movement of object causes Doppler dispersion, making it harder to detect, due to decrease of signal/noise ratio at system output. In accordance to invention, emitted signals are supposed to be transformed in accordance to rule s(t)→s(arctg(t)} in time span. It is determined, that such signals are invariant relatively to acceleration of target, while speed causes only frequency shift of signal without distortion thereof. For correlation processing of received signal, echo signal is returned into original linear scale, realizing operation of interpolation of counts of received signal in accordance to rule s(arctg(t))→s(t)) in real time scale.
EFFECT: response of system, realizing described processing method, is stable during detection and tracking of targets moving at high speeds.
1 dwg, 1 app

Description

Предлагаемое изобретение относится к области специальной радиотехники и может быть использовано в радио- и гидролокационных системах при определении координат и параметров движения цели (КПДЦ). Как правило, в радио- и гидролокационных системах при корреляционной обработке учитываются дальность и радиальная скорость цели. На практике разрешающая способность локационной системы анализируется на основе функции неопределенности (ФН) Вудворда. В основе такого анализа лежит допущение о постоянстве скорости цели в пределах длительности сигнала и пренебрежимо малых искажениях модулирующей функции. В предлагаемом техническом решении в качестве информативного дополнительного параметра используется радиальное ускорение цели. Возможность измерения радиальной составляющей ускорения рассмотрена в работе [1]. Тамже [1, с.46] показано, что для многих практических задач в выражении для ошибки оценки скорости можно пренебречь членом, зависящим от ускорения. Отметим, что при учете ускорения вид ФН усложняется [2]. В известных технических решениях, предназначенных для разрешения цели по скорости в одном элементе дальности, ускорение как правило не учитывается [3, 4, 5, 6, 7, 8]. При необходимости ускорение цели оценивают косвенно вычислением производной скорости цели по времени [9]. Возможность использования той или иной модели определяется главным образом базой сигнала. Так в работе [10] приведена допустимая доплеровская расстройка в гидролокаторе, составляющаяThe present invention relates to the field of special radio engineering and can be used in radio and sonar systems when determining the coordinates and parameters of the target’s movement (KPDTs). As a rule, in radar and sonar systems, correlation processing takes into account the range and radial velocity of the target. In practice, the resolution of a location system is analyzed based on the uncertainty function (FN) of Woodward. The basis of this analysis is the assumption that the speed of the target is constant within the signal duration and negligible distortion of the modulating function. In the proposed technical solution, the radial acceleration of the target is used as an informative additional parameter. The possibility of measuring the radial component of acceleration was considered in [1]. It was also shown [1, p. 46] that for many practical problems in the expression for the velocity estimation error, the term depending on the acceleration can be neglected. Note that when acceleration is taken into account, the form of the FS is complicated [2]. In well-known technical solutions designed to resolve the target in speed in one element of range, acceleration is usually not taken into account [3, 4, 5, 6, 7, 8]. If necessary, the acceleration of the target is estimated indirectly by calculating the time derivative of the target’s speed [9]. The possibility of using one or another model is determined mainly by the signal base. So in [10] the permissible Doppler detuning in a sonar is given, which is

Figure 00000002
Figure 00000002

где Т - длительность сигнала, W - его полоса.where T is the signal duration, W is its band.

В работе [11, с. 39] необходимость учета n-й производной определяется порядком величиныIn [11, p. 39] the need to take into account the nth derivative is determined by the order of magnitude

λ/Тn,λ / T n ,

где λ - длина волны. Приближенно полагают, что можно использовать аппроксимацию эффекта Доплера простым сдвигом спектра при выполнении условия

Figure 00000003
where λ is the wavelength. It is roughly believed that the approximation of the Doppler effect can be used by a simple shift of the spectrum when the condition
Figure 00000003

При увеличении длительности сигналов, полосы частот, скорости целей и размеров антенных устройств подобные приближения оказываются неприемлемыми [12]. Так, например, при работе с низкочастотными, длительными и широкополосными сигналами в гидролокаторах небольшое изменение радиальной скорости за время существования сигнала приводит к декорреляции и существенно сказывается на характеристиках системы [10].With an increase in signal duration, frequency band, target speed, and antenna device size, such approximations are unacceptable [12]. So, for example, when working with low-frequency, long-term and wideband signals in sonar, a small change in the radial velocity during the existence of the signal leads to decorrelation and significantly affects the characteristics of the system [10].

Аналогичный эффект наблюдается в радиолокационных системах слежения за такими быстрыми целями как спутники и управляемые снаряды [13].A similar effect is observed in radar tracking systems for such fast targets as satellites and guided missiles [13].

В таких случаях возникает необходимость согласования принятого сигнала по ускорению. В работе [11] раскрыт способ определения дальности и радиальной скорости. В среду излучают сигнал с гиперболической ЧМ, смещенный в область несущей частоты, вида:In such cases, it becomes necessary to match the received acceleration signal. In [11], a method for determining the range and radial velocity is disclosed. On Wednesday, a signal is emitted from a hyperbolic FM, shifted to the region of the carrier frequency, of the form:

Figure 00000004
Figure 00000004

где f1 - несущая частота, F, k - постоянные.where f 1 is the carrier frequency, F, k are constants.

При приеме осуществляют многоканальную доплеровскую расфильтровку эхосигнала, гетеродинируют сигнал в область низких частот, осуществляют его временную задержку с целью компенсации ошибки в измерении дальности цели, проводят согласованную фильтрацию и отклик сравнивают с порогом.When receiving, a multi-channel Doppler filtering of the echo signal is carried out, the signal is heterodyne to the low-frequency region, it is temporarily delayed to compensate for errors in measuring the target range, a consistent filtering is performed, and the response is compared with a threshold.

По временному интервалу между моментами превышения порога и излучения зондирующего импульса определяют дальность цели, по номеру доплеровского канала, где произошло превышение порога, находят радиальную скорость цели. Временной интервал для коррекции ошибки определяется соотношением:From the time interval between the moments when the threshold is exceeded and the radiation from the probe pulse, the target range is determined, the radial speed of the target is found by the number of the Doppler channel where the threshold was exceeded. The time interval for error correction is determined by the ratio:

Figure 00000005
Figure 00000005

где νp - радиальная скорость, с - скорость распространения волн. Рассмотренный способ позволяет осуществить независимое разрешение по дальности и скорости по одной посылке. Однако при этом сохраняется доплеровская расфильтровка.where ν p is the radial velocity, c is the wave propagation velocity. The considered method allows for independent resolution in range and speed in one package. However, Doppler filtering is retained.

Близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является система CAVORT (система обработки эхосигналов от целей, обладающих значительным радиальным ускорением) [14]. Эта система работает следующим образом: принятые импульсы пропускают через линию задержки (ЛЗ) на промежуточной частоте с общим числом отводов, где N - число обрабатываемых импульсов. Эти отводы соединены с двумя рядами смесителей. Верхний ряд смесителей производит частотные сдвиги fv, 2fv, 3fv,..., (N-1)fv. Получающиеся сдвиги в любой момент времени заданы с некоторой заданной скоростью цели. Подстройка этого согласования под цели, испытывающие ускорение движения, достигается дальнейшим сдвигом, обеспечиваемым вторым рядом смесителей. Этот нелинейный набор частот Fa, 3fa, 6fa, 10fa,..., N(N+1)fa/2 в любой момент времени согласован по фазе с сигналом для некоторого значения радиального ускорения. Когда fv≫fa, производится поиск по скорости и ускорению так, что характеристики скорости и ускорения цели согласованы в некоторый момент времени на интервале длительностью 1/fa.Close in technical essence to the proposed invention is the CAVORT system (a system for processing echo signals from targets with significant radial acceleration) [14]. This system works as follows: received pulses are passed through a delay line (LZ) at an intermediate frequency with a total number of taps, where N is the number of processed pulses. These taps are connected to two rows of mixers. The top row of mixers produces frequency shifts fv, 2fv, 3fv, ..., (N-1) fv. The resulting shifts at any given time are given at some given target speed. The adjustment of this coordination for targets experiencing acceleration of movement is achieved by a further shift provided by the second row of mixers. This nonlinear set of frequencies Fa, 3fa, 6fa, 10fa, ..., N (N + 1) fa / 2 at any moment in time is in phase with the signal for a certain value of radial acceleration. When fv≫fa, a search is made for speed and acceleration so that the speed and acceleration characteristics of the target are matched at some point in time on an interval of 1 / fa.

Таким образом, рассмотренный способ оценки радиального ускорения цели состоит в следующем. Излучают пачку зондирующих импульсов, принимают, усиливают, производят согласованную фильтрацию по всем возможным значениям радиальных скоростей и ускорений, совмещают эхосигналы во времени и когерентно суммируют, результирующий сигнал сравнивают с пороговым напряжением и по значению фазы сигнала, соответствующего моменту превышения порога, определяют ускорение цели. Данный способ позволяет полностью определить все параметры движения цели (скорость и ускорение).Thus, the considered method for estimating the radial acceleration of a target is as follows. A packet of probe pulses is emitted, received, amplified, matched filtering is carried out according to all possible values of radial velocities and accelerations, echo signals are combined in time and coherently summed, the resulting signal is compared with a threshold voltage and the target acceleration is determined by the value of the signal phase corresponding to the moment the threshold is exceeded. This method allows you to fully determine all the parameters of the movement of the target (speed and acceleration).

Недостатком способа является сложность его технической реализации. Поскольку оптимальный фильтр должен быть согласован как с радиальной скоростью, так и c радиальным ускорением, для обработки сигналов с различными парами значений скорости и ускорения необходим набор таких двумерных фильтров. Требуемое число фильтров при этом очень велико и составляет несколько сотен. Кроме того, для работы устройства необходима последовательность (минимум два) зондирующих импульсов.The disadvantage of this method is the complexity of its technical implementation. Since the optimal filter must be consistent with both radial velocity and radial acceleration, a set of such two-dimensional filters is required to process signals with different pairs of velocity and acceleration values. The required number of filters is very large and amounts to several hundred. In addition, for the operation of the device requires a sequence (at least two) of probe pulses.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ согласованной фильтрации принятого сигнала [15] (ПРОТОТИП). Рассмотренный способ позволяет выделить сигнал на фоне помехи в условия доплеровского эффекта. Суть способа состоит в следующем. В среду излучают зондирующий импульс. Принятые эхосигнал и сигнал-эталон перемножаются

Figure 00000006
, где * - представляет собой символ комплексного сопряжения. К результату перемножения применяется преобразование Фурье, в результате которого получают спектральную взаимно корреляционную функцию (ВКФ) вида:
Figure 00000007
Closest to the proposed invention is a method of consistent filtering of the received signal [15] (PROTOTYPE). The considered method makes it possible to isolate the signal against the background of interference in the conditions of the Doppler effect. The essence of the method is as follows. A probe pulse is emitted into the medium. The received echo and reference signal are multiplied
Figure 00000006
where * - is a symbol of complex conjugation. The Fourier transform is applied to the result of multiplication, as a result of which a spectral cross-correlation function (CCF) of the form is obtained:
Figure 00000007

где ν - частотный сдвиг эхосигнала вследствие эффекта Доплера. Если сигналы во временной области вещественные, то соответствующие корреляционные операции в частотной области идентичны операции свертки. Результирующий отклик корреляционной функции сравнивается с пороговым напряжением. Обработка производится в реальном масштабе времени, т.е. отсчеты входной реализации обновляются в соответствии с теоремой Котельникова. Превышение порогового значения происходит в момент компенсации задержки τ=0. При этом принимается решение об обнаружении цели, а сам момент будет соответствовать дистанции до цели. Рассмотренный способ является оптимальный с точки зрения отношения сигнал/помеха для детерминированного сигнала. Однако он не позволяет избежать потерь в отношении сигнал/помеха в условиях переменного доплеровского эффекта. Целью предлагаемого изобретения является повышение помехоустойчивости за счет уменьшения потерь в отношении сигнал/помеха, связанных с переменной доплеровской дисперсией, обусловленной изменением доплеровского параметра в пределах длительности сигнала.where ν is the frequency shift of the echo due to the Doppler effect. If the signals in the time domain are real, then the corresponding correlation operations in the frequency domain are identical to the convolution operation. The resulting response of the correlation function is compared with a threshold voltage. Processing is carried out in real time, i.e. samples of the input implementation are updated in accordance with the Kotelnikov theorem. Exceeding the threshold value occurs at the time of delay compensation τ = 0. In this case, a decision is made to detect the target, and the moment itself will correspond to the distance to the target. The considered method is optimal in terms of signal-to-noise ratio for a deterministic signal. However, it does not allow avoiding losses in the signal-to-noise ratio under conditions of a variable Doppler effect. The aim of the invention is to increase noise immunity by reducing losses in relation to signal / noise associated with variable Doppler dispersion due to a change in the Doppler parameter within the signal duration.

Поставленная цель достигается тем, что способ корреляционной обработки сигналов, отраженных от быстродвижущихся целей, основанный на излучении зондирующего сигнала, корреляционной обработке принятого процесса в реальном масштабе времени, заключающейся в перемножении принятого эхосигнала с копией излученного сигнала, вычислении преобразования Фурье от результата перемножения, нахождении квадрата модуля, сравнении полученного отклика квадрата модуля с пороговым напряжением, дополнительно содержит операции формирования зондирующего сигнала перед излучением по закону s(arctg(t)), где t - текущее время, интерполяции отсчетов принятого сигнала по закону

Figure 00000008
, выполняемой в пределах временного интервала между двумя соседними отсчетами.This goal is achieved by the fact that the method of correlation processing of signals reflected from fast moving targets, based on the radiation of the probe signal, correlation processing of the received process in real time, which consists in multiplying the received echo signal with a copy of the emitted signal, calculating the Fourier transform from the result of multiplication, finding the square module, comparing the received response of the square of the module with a threshold voltage, further comprises probing operations a signal s (arctg (t)) before radiation according to the law, where t - current time interpolation of samples of the received signal according to the law
Figure 00000008
performed within the time interval between two adjacent samples.

Суть способа состоит в следующем. Исходный сигнал, представляющий собой отрезок тонального импульса S(t)=cos(2·π·f0·t), подвергают временному преобразованию по закону

Figure 00000009
таким образом, в среду излучается сигнал с эллиптической ЧМ от верхних частот к нижним вида:The essence of the method is as follows. The initial signal, which is a segment of the tonal pulse S (t) = cos (2 · π · f 0 · t), is subjected to temporary transformation according to the law
Figure 00000009
Thus, an elliptical FM signal is emitted from the upper frequencies to the lower ones:

Figure 00000010
Figure 00000010

где t0 - момент, соответствующий началу сигнала,where t 0 is the moment corresponding to the beginning of the signal,

f0 - начальная частота,f 0 is the initial frequency,

β - масштабный множитель,β is a scale factor,

Figure 00000011
Figure 00000011

После временного преобразования эхосигнала, отраженного от движущейся цели, осуществляется интерполяция отсчетов принятого сигнала и его взаимнокорреляционная обработка (ВКФ) с сигналом-эталоном в реальном масштабе времени.After a temporary conversion of the echo signal reflected from the moving target, the samples of the received signal are interpolated and mutually correlated (VKF) with the reference signal in real time.

Временной интервал между моментами приема и излучения сигнала τ соответствует дальности до цели. Эхосигнал в результате доплеровского преобразования имеет видThe time interval between the moments of reception and emission of the signal τ corresponds to the range to the target. The echo signal as a result of the Doppler conversion has the form

Figure 00000012
Figure 00000012

где

Figure 00000013
- доплеровский параметр,Where
Figure 00000013
- Doppler parameter,

где α - радиальная скорость цели и β - радиальное ускорение цели.where α is the radial velocity of the target and β is the radial acceleration of the target.

Принимается гипотеза о том, что радиальное ускорение является постоянным, а радиальная скорость меняется в течение длительности импульса. Иными словами дальность r(t) алроксимируется рядом Тейлора с точностью до второго члена разложения. Такой доплеровский эффект будем называть переменным. Переменный доплеровский параметр можно записать в виде:The hypothesis is accepted that the radial acceleration is constant, and the radial velocity changes over the duration of the pulse. In other words, the range r (t) is approximated by the Taylor series up to the second term of the expansion. Such a Doppler effect will be called a variable. The variable Doppler parameter can be written as:

Figure 00000014
Figure 00000014

где r(1)(t)=ν(t) - относительная скорость источника и приемника.where r (1) (t) = ν (t) is the relative speed of the source and receiver.

Переменный доплеровский параметр действует на время согласно правилу:The variable Doppler parameter acts for a time according to the rule:

Figure 00000015
Figure 00000015

Преобразование времени при текущем доплеровском преобразовании носит функциональный характер.The time conversion in the current Doppler transformation is functional in nature.

Другой характеристикой эффекта Доплера является скорость преобразования носителя времени:Another characteristic of the Doppler effect is the conversion speed of the time carrier:

Figure 00000016
Figure 00000016

Заметим, что значения текущего доплеровского параметра не совпадает со скоростью преобразования носителя времени, но эти функции являются локально близкими. Действительно, разлагая (0.2) в ряд Тейлора и ограничиваясь двумя членами разложения, имеемNote that the values of the current Doppler parameter do not coincide with the conversion rate of the time carrier, but these functions are locally close. Indeed, expanding (0.2) into a Taylor series and restricting ourselves to two terms of the expansion, we have

Figure 00000017
Figure 00000017

Полагая

Figure 00000018
в (0.4) перепишемAssuming
Figure 00000018
in (0.4) we rewrite

Figure 00000019
Figure 00000019

Сравнение (0.3) с (0.5) доказывает отмеченное.A comparison of (0.3) with (0.5) proves the above.

Рассмотрим представления сигналов с учетом скорости преобразования носителя времени. Преобразование времени (с точностью до задержки) можно найти путем интегрирования соотношения (0.3)Consider the representation of signals, taking into account the speed of conversion of the time carrier. The time transformation (up to a delay) can be found by integrating relation (0.3)

Figure 00000020
Figure 00000020

что совпадает с точностью до задержки с (0.3).which coincides up to a delay with (0.3).

Преобразование времени с учетом параметра β называют переменным доплеровским эффектом [4, 5].The time transformation taking into account the parameter β is called the variable Doppler effect [4, 5].

Переменный доплеровский эффект приближенно можно записать в виде одного параметра φThe variable Doppler effect can be approximately written as a single parameter φ

Figure 00000021
Figure 00000021

которому соответствует матрица вида:which corresponds to a matrix of the form:

Figure 00000022
Figure 00000022

Действительно, соотношение (0.7) записывается в виде композиции трех матриц:Indeed, relation (0.7) is written as a composition of three matrices:

Figure 00000023
Figure 00000023

Первый класс матриц отвечает за сдвиг сигнала во времени, второй - гиперболического типа отвечает за доплеровские преобразования, а третий - за переменный эффект Доплера [5].The first class of matrices is responsible for the shift of the signal in time, the second, of the hyperbolic type, is responsible for the Doppler transformations, and the third is for the variable Doppler effect [5].

Таким образом, группа преобразований, связанная с матрицами (0.9), включает в себя сдвиги, доплеровские преобразования и переменный доплеровский эффект. Из анализа (0.9) следует, что при малом параметре φ основной вклад будет давать преобразование

Figure 00000024
т.е. преобразование, отвечающее за изменение доплеровского параметра во времени. В реальных условиях локации объектов параметр φ является малым. А коэффициенты матрицы второго класса имеют второй порядок малости. Действительно при малом параметре
Figure 00000025
Поскольку система по определению инвариантна относительно сдвига, то коэффициенты первой матрицы не оказывают влияние на преобразование сигнала. Так как сигнал в эллиптическом временном масштабе будет представлять собой отрезок гармонического сигнала, а в обычном временном масштабе он будет являться искаженным, то для его перехода к равномерному масштабу времени нам необходимо произвести интерполяцию отсчетов принятого эллиптического сигнала по тангенциальному закону.Thus, the group of transformations associated with matrices (0.9) includes shifts, Doppler transformations, and a variable Doppler effect. From the analysis of (0.9) it follows that for a small parameter φ the main contribution will be made by the transformation
Figure 00000024
those. transformation responsible for the change in the Doppler parameter in time. Under real conditions of location of objects, the parameter φ is small. And the coefficients of the matrix of the second class are of the second order of smallness. Valid for a small parameter
Figure 00000025
Since the system, by definition, is invariant with respect to the shift, the coefficients of the first matrix do not affect the signal transformation. Since the signal in the elliptical time scale will be a segment of the harmonic signal, and in the usual time scale it will be distorted, to transfer it to a uniform time scale, we need to interpolate the samples of the received elliptical signal according to the tangential law.

Следующим шагом является выбор сигнала, с большой точностью приближающегося к инвариантному относительно эллиптического преобразования сигнала. Этим сигналом является сигнал вида:The next step is the selection of a signal approaching with great accuracy to a signal that is invariant with respect to the elliptical transformation. This signal is a signal of the form:

Figure 00000026
Figure 00000026

где f0 - эллиптическая частота,where f 0 is the elliptical frequency,

Т - длительность сигнала (0.10), где

Figure 00000027
T is the signal duration (0.10), where
Figure 00000027

Соотношение (0.10) задает операцию формирования излучаемого сигнала из отрезка тона.Relation (0.10) defines the operation of generating a radiated signal from a tone segment.

После дискретизации принятого сигнала производится интерполяция по его отсчетам. Этим сигналом является сигнал вида (0.9). Использование этого сигнала обусловлено тем, что в своем масштабе он является отрезком экспоненциального тонального сигнала. Для реализации сигнала в своем масштабе необходимо провести его интерполяцию по закону:After discretization of the received signal, interpolation is carried out according to its samples. This signal is a signal of the form (0.9). The use of this signal is due to the fact that in its scale it is a segment of an exponential tone signal. To implement a signal on its scale, it is necessary to interpolate it according to the law:

Figure 00000028
Figure 00000028

Численный эксперимент показал, что сигнал (0.10) инвариантен относительно эллиптического преобразования. Заметим также, что эталон сигнала для коррелятора должен быть обязательно комплексным

Figure 00000029
A numerical experiment showed that the signal (0.10) is invariant with respect to the elliptic transformation. We also note that the signal standard for the correlator must be complex
Figure 00000029

Устройство, реализующее предлагаемый способ обнаружения и фильтрации эхо-сигналов от быстро движущихся целей, представлено на Фиг.1.A device that implements the proposed method for detecting and filtering echoes from fast moving targets, is presented in figure 1.

Оно содержит:It contains:

Задающий генератор (ЗГ) - 1The master generator (ZG) - 1

Коммутатор - 2Switch - 2

Блок преобразования сигнала по эллиптическому закону - 3Elliptical Signal Transformation Block - 3

Цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) - 4Digital to Analog Converter (DAC) - 4

Излучатель - 5Emitter - 5

Первый блок синхронизации - 6The first synchronization block is 6

Второй блок синхронизации - 7The second block synchronization - 7

Приемник - 8Receiver - 8

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) - 9Analog-to-Digital Converter (ADC) - 9

Элемент задержки (ЭЗ) - 10Delay Element (ES) - 10

Блок интерполяции - 11Interpolation block - 11

Блок перемножения - 12Multiplication Block - 12

Блок быстрого преобразования Фурье (БПФ) - 13Fast Fourier Transform Unit (FFT) - 13

Блок вычисления квадрата модуля - 14Unit square calculator - 14

Пороговый блок - 15Threshold block - 15

Блок анализа и принятия решения - 16Analysis and Decision Making Unit - 16

ЗГ 1 представляет собой генератор зондирующих импульсов и может быть реализован в цифровом виде [16].ZG 1 is a probe pulse generator and can be implemented in digital form [16].

Первый блок синхронизации 6 вырабатывает остроконечные импульсы, определяющие частоту следования зондирующих сигналов. Эти импульсы используются для запуска излучателя и в качестве опорных сигналов дальности, т.е. для измерения времени запаздывания эхосигнала в блоке анализа и принятия решения 16 [17].The first synchronization unit 6 generates spiky pulses that determine the repetition rate of the probing signals. These pulses are used to start the emitter and as reference range signals, i.e. to measure the delay time of the echo signal in the block analysis and decision 16 [17].

Блок преобразования сигнала по эллиптическому закону 3 выполнен в цифровой реализации и осуществляет преобразование в соответствии с выражением (0.1). Сигнал в эллиптическом масштабе представлен в Приложении 1 (Рис.2). Второй блок синхронизации 7 вырабатывает тактовые импульсы, которые осуществляют синхронизацию работы ЦАП, АЦП, ЭЗ.The signal conversion unit according to elliptic law 3 is made in digital implementation and performs the conversion in accordance with expression (0.1). The signal on an elliptical scale is presented in Appendix 1 (Fig. 2). The second synchronization unit 7 generates clock pulses that synchronize the operation of the DAC, ADC, EZ.

ЭЗ 10 обеспечивает обработку входной реализации в реальном масштабе времени. В качестве ЭЗ можно использовать цифровые линии задержки с рециркуляцией (РЛЗ) [18].EZ 10 provides processing of the input implementation in real time. As an EZ, digital delay lines with recirculation (RLS) can be used [18].

Поясним сущность работы элемента задержки на основе РЛЗ. Компенсация задержки τ эхосигнала относительно зондирующего импульса производится следующим образом. На РЛЗ поступают отсчеты входного сигнала с интервалом дискретизации

Figure 00000030
где fν - верхняя частота среза спектра сигнала. Допустим, что сигнал имеет fν=5 кГц и содержит N=1024 отсчета. Длительность его при этом составит
Figure 00000031
Если шкала гидролокатора составляет Dmax=30 км, а максимальный интервал корреляции
Figure 00000032
в этом случае между с моментом излучения и приема сигнала на вход устройства (без учета мертвой зоны) поступит
Figure 00000033
отсчетов.Let us explain the essence of the operation of the delay element based on radar. Compensation of the delay τ of the echo signal relative to the probe pulse is as follows. The radar receives samples of the input signal with a sampling interval
Figure 00000030
where fν is the upper cut-off frequency of the signal spectrum. Suppose that the signal has fν = 5 kHz and contains N = 1024 samples. In this case, its duration will be
Figure 00000031
If the sonar scale is D max = 30 km, and the maximum correlation interval
Figure 00000032
in this case, between the moment of emission and reception of the signal at the input of the device (excluding the dead zone)
Figure 00000033
counts.

В этой последовательности необходимо выявить отсчеты, соответствующие полезному эхосигналу. Общее время задержки РЛЗ равно (N-1)·ΔT, где ΔT время задержки между соседними отводами.In this sequence, it is necessary to identify the samples corresponding to the useful echo signal. The total radar delay time is (N-1) · ΔT, where ΔT is the delay time between adjacent taps.

Интервал дискретизации входного сигнала равен общему времени задержки РЛЗ.The sampling interval of the input signal is equal to the total delay time of the radar.

В нашем случае

Figure 00000034
In our case
Figure 00000034

На второй РЛЗ непрерывно рециркулирует сигнал-эталон. Полученный очередной отсчет реализации сдвигается вдоль всей первой РЛЗ и рециркулирует таким образом, что оказывается на выходе второго отвода РЛЗ к тому времени, когда будет взят следующий отсчет. После этого процесс повторяется и таким образом на отводах РЛЗ будут находиться последние N-1 отсчетов реализации.The second radar continuously recycles the reference signal. The obtained next implementation count is shifted along the entire first radar and is recycled in such a way that it is at the output of the second radar tap by the time the next count is taken. After that, the process is repeated and thus the last N-1 implementation counts will be located on the radar branches.

Блок быстрого преобразования Фурье (БПФ) 14 предназначен для нахождения спектральной плотности сигнала и широко распространен в цифровой обработке сигналов [19]. Отклик на выходе блока 19 представляет собой ВКФ, приведенное в Приложении 1 (Рис.6).The Fast Fourier Transform Unit (FFT) 14 is designed to find the spectral density of a signal and is widely used in digital signal processing [19]. The response at the output of block 19 is a VKF given in Appendix 1 (Fig. 6).

Блок интерполяции 11 предназначен для проведения интерполяции отсчетов принятого сигнала и эталона по тангенциальному закону (0.11). Временные диаграммы принятого и интерполированного сигналов приведены в Приложении 1 (Рис.4).The interpolation unit 11 is designed to interpolate the samples of the received signal and the standard according to the tangential law (0.11). Timing diagrams of the received and interpolated signals are given in Appendix 1 (Fig. 4).

В блоке анализа и принятия решения 16 при превышении порогового значения принимается решение об обнаружении цели, а по измеренному временному интервалу между моментами излучения зондирующего импульса и превышению порога определяется дистанция до цели.In the analysis and decision block 16, when the threshold value is exceeded, a decision is made to detect the target, and the distance to the target is determined from the measured time interval between the moments of radiation of the probe pulse and the threshold is exceeded.

Для проверки достоверности предложенного способа и реализующего его устройства проведено моделирование на ПК в среде MathCad. Результаты моделирования приведены в Приложении 1.To verify the reliability of the proposed method and the device that implements it, modeling was carried out on a PC in the MathCad environment. The simulation results are given in Appendix 1.

Устройство в целом функционирует следующим образом. Сигнал с выхода генератора зондирующих импульсов 1 поступает в блок преобразования по эллиптическому закону (0.1). Полученный сигнал в эллиптическом масштабе вида (0.1) после цифроаналогового преобразования в блоке 4 через коммутатор 2 по синхроимпульсу из блока синхронизации 6 выдается на излучатель 5 для излучения в среду. Отраженный эхосигнал с выхода АЦП 9 с частотой дискретизации, определяемой теоремой Котельникова fd≥2·fw, поступает на вход ЭЗ 10, где формируется и с каждым новым отсчетом обновляется выборка входной реализации длиной N-1 отсчетов.The device as a whole operates as follows. The signal from the output of the probe pulse generator 1 enters the conversion unit according to the elliptic law (0.1). The received signal on an elliptical scale of the form (0.1) after digital-to-analog conversion in block 4 through a switch 2 is transmitted from the synchronization block 6 to the emitter 5 for emission into the medium from the synchronization block 6. The reflected echo signal from the output of the ADC 9 with the sampling frequency determined by Kotelnikov’s theorem fd≥2 · fw is fed to the input of the EZ 10, where a sample of the input implementation with the length of N-1 samples is generated and updated with each new sample.

В блоке интерполяции 11 производится преобразование входной реализации по закону (0.11), после чего сигнал становится тоном. Сформированная текущая дискретная выборка преобразованного сигнала перемножается с дискретной выборкой копии сигнала-эталона, результат перемножения поступает на вход блока быстрого преобразования Фурье 13. С выхода получаем спектральную взаимно корреляционную функциюIn the block of interpolation 11, the input implementation is transformed according to the law (0.11), after which the signal becomes a tone. The generated current discrete sample of the converted signal is multiplied with a discrete sample of a copy of the reference signal, the result of the multiplication is fed to the input of the fast Fourier transform unit 13. From the output we obtain a spectral cross-correlation function

Figure 00000035
Figure 00000035

вычисляемую в каждом моменте времени, взятого с дискретностью АЦП на входе приемника, где ν - частотный сдвиг эхосигнала вследствие эффекта Доплера (временная диаграмма показана в Приложении 1). После вычисления квадрата модуля в блоке 14 полученный результат сравнивается с порогом в пороговом блоке 15. При превышении порога в БА и ПР 16 принимается решение о наличие полезного сигнала. Поскольку входная реализация постоянно обновляется, т.е. обработка производится в реальном масштабе времени, измеренный в БА и ПР 16 временной интервал τ между моментами излучения зондирующего сигнала и превышения порога в блоке 16 будет соответствовать дистанции до цели

Figure 00000036
где с - скорость распространения колебаний.calculated at each moment of time taken with ADC discreteness at the receiver input, where ν is the frequency shift of the echo signal due to the Doppler effect (the timing diagram is shown in Appendix 1). After calculating the square of the module in block 14, the result is compared with the threshold in threshold block 15. If the threshold is exceeded in BA and PR 16, a decision is made about the presence of a useful signal. Since the input implementation is constantly updated, i.e. the processing is carried out in real time, measured in BA and PR 16 the time interval τ between the moments of radiation of the probe signal and exceeding the threshold in block 16 will correspond to the distance to the target
Figure 00000036
where c is the velocity of oscillation propagation.

ЛитератураLiterature

1. Келли. Радиолокационное измерение дальности, скорости и ускорения. Зарубежная радиоэлектроника (ЗР), №2, 1962, с.35-46.1. Kelly. Radar measurement of range, speed and acceleration. Foreign Radio Electronics (ЗР), No. 2, 1962, p. 35-46.

2. Справочник по радиолокации. Под ред. Сколника М., Сов. Радио, Том 3, 1976, с.122.2. Reference radar. Ed. Skolnik M., Sov. Radio, Volume 3, 1976, p. 122.

3. А.С. №537315 (СССР) от 30.11.76. Способ определения скорости движения судна относительно дна.3. A.S. No. 537315 (USSR) dated 11.30.76. A method for determining the speed of a vessel relative to the bottom.

4. Патент №4282589 США, 1981. Корреляционный способ измерения дальности.4. US patent No. 4282589, 1981. The correlation method of measuring range.

5. Патент №3938147 США, 1976. ЧМ доплеровская система измерения дальности.5. US patent No. 3938147, 1976. FM Doppler range measuring system.

6. Заявка №1482816 Великобритания. Способ и устройство для измерения доплеровского частотного сдвига.6. Application No. 1482816 United Kingdom. Method and device for measuring Doppler frequency shift.

7. Заявка №2605933 ФРГ. Способ измерения расстояния и скорости, основанный на использовании импульсной доплеровской РЛС.7. Application No. 2605933 Germany. A method of measuring distance and speed based on the use of a pulsed Doppler radar.

8. Заявка №56-41953 Япония 1981. Способ и прибор для измерения расстояния с помощью РЛС непрерывного излучения с ЧМ.8. Application No. 56-41953 Japan 1981. A method and apparatus for measuring distance using a continuous-wave radar with FM.

9. А.С. №687427 (СССР). Устройство для цифрового анализа сигналов.9. A.S. No. 687427 (USSR). Device for digital signal analysis.

10. Крамер. Допустимая расстройка скорости и ускорения в высокочувствительных широкополосных корреляционных гидролокаторах с линейной ЧМ, ТИИЭР т.55 №5, 1967, c.3.10. Cramer. Permissible detuning of speed and acceleration in highly sensitive broadband correlation sonars with linear FM, TIIER vol. 55 No. 5, 1967, p.3.

11. Рихачек. Сигналы, допустимые с точки зрения доплеровского эффекта. ТИИЭР т.54 №6, 1966, с.39-41.11. Rikhachek. Signals that are acceptable in terms of the Doppler effect. TIIER vol. 54 No. 6, 1966, p. 39-41.

12. Рихачек. Разрешение подвижных целей в радиолокации. ЗР №1, 1968, с.3.12. Rikhachek. Resolution of moving targets in radar. ЗР №1, 1968, p.3.

13. Келли, Вишнер. Теория согласованной фильтрации целей, движущихся ускоренно с высокими скоростями. ЗР №10, 1965, с.38.13. Kelly, Wischner. Theory of consistent filtering of targets moving accelerated at high speeds. ZR No. 10, 1965, p. 38.

14. Киблер. КЭВОРТ - устройство оптимальной обработки пачечного радиолокационного сигнала с учетом ускорения целей, 1968, с.27-33.14. Kibler. KEVORT - device for optimal processing of a burst radar signal taking into account acceleration of targets, 1968, p. 27-33.

15. Бурдик B.C. Анализ гидроакустических систем. Л., Судостроение. 1988 г., стр.194 (ПРОТОТИП).15. Burdick B.C. Analysis of sonar systems. L., Shipbuilding. 1988, p. 194 (PROTOTYPE).

16. Найт У. Цифровая обработка сигналов в гидролокационных системах. ТИИЭР т.69 №11, 1981, с.127.16. Knight W. Digital signal processing in sonar systems. TIIER vol. 69 No. 11, 1981, p. 127.

17. Белоцерковский Г. Основы радиолокации и радиолокационные устройства. М., Сов. Радио, 1975, с.25-26.17. Belotserkovsky G. Fundamentals of radar and radar devices. M., Sov. Radio, 1975, p. 25-26.

18. Применение цифровой обработки сигналов под ред. Оппенгейма Э.М. Мир, 1980, с.417-418.18. The use of digital signal processing, ed. Oppenheim E.M. World, 1980, p. 417-418.

19. Корнеев В., Кисилев А. Современные микропроцессоры. М., Изд. «Нолидж», 1998, с.136-138.19. Korneev V., Kisilev A. Modern microprocessors. M., ed. Nolidzh, 1998, p.136-138.

Приложение 1Annex 1

Программа формирования корреляционного приемника с эллиптической модуляцией сигналов.The program for the formation of a correlation receiver with elliptical modulation of signals.

Задаем весовое прямоугольное окно:Set the weighted rectangular window:

Figure 00000037
Figure 00000037

Задаем количество эллиптических волн:Set the number of elliptical waves:

Nw:=128Nw: = 128

Задаем эллиптическую длительность сигнала:Set the elliptical signal duration:

T0:=πT0: = π

Определяем эллиптическую частоту сигнала:Determine the elliptical frequency of the signal:

Figure 00000038
f0=40.744
Figure 00000038
f0 = 40.744

Коэффициент расширения полосы: β:=1Band expansion coefficient: β: = 1

Задаем исходный сигнал:Set the source signal:

s(t):=exp(-i·2·π·f0·t)·rect(t)s (t): = exp (-i · 2 · π · f0 · t) · rect (t)

Проводим модуляцию сигнала поэллиптическому закону:We carry out the modulation of the signal according to the elliptic law:

Figure 00000039
Figure 00000039

Проводим дискретизацию принятого сигнала:Sample the received signal:

Н:=10 n:=0...2H-1 N:=2H γ:=1H: = 10 n: = 0 ... 2 H -1 N: = 2 H γ: = 1

Figure 00000040
Figure 00000041
Figure 00000042
Figure 00000040
Figure 00000041
Figure 00000042

tn:=n·Δtt n : = n

s2n:=s1(tn)s2 n : = s1 (t n )

Dn:=n·ΔtD n : = n

Figure 00000043
Figure 00000043

Figure 00000044
Figure 00000044

Figure 00000045
Figure 00000045

Проведение интерполяции сигнала по тангенциальному закону:Performing signal interpolation according to the tangential law:

Figure 00000046
Figure 00000046

Ssum:=cfft(sumsig)Ssum: = cfft (sumsig)

Figure 00000047
Figure 00000048
Figure 00000049
Figure 00000047
Figure 00000048
Figure 00000049

Claims (1)

Способ обнаружения быстродвижущихся целей, заключающийся в том, что излучают зондирующий сигнал s(t), где t - текущее время, принимают в виде отсчетов отраженный от цели сигнал в реальном масштабе времени, перемножают принятый сигнал с копией излученного сигнала, осуществляют преобразование Фурье результата перемножения, формируя взаимно корреляционную функцию, находят квадрат модуля преобразованного сигнала, сравнивают полученный сигнал с порогом, при превышении которого принимают решение об обнаружении цели, отличающийся тем, что перед излучением формируют зондирующий сигнал по закону s(arctg(t), при приеме отраженного от цели сигнала осуществляют интерполяцию отсчетов принятого сигнала по закону
Figure 00000050
выполняемую в пределах временного интервала между двумя соседними отсчетами.
A method for detecting fast moving targets, which consists in emitting a probe signal s (t), where t is the current time, receiving the signal reflected from the target in real time in the form of samples, multiplying the received signal with a copy of the emitted signal, and performing the Fourier transform of the multiplication result forming a cross-correlation function, find the square of the module of the converted signal, compare the received signal with a threshold, upon exceeding which they decide to detect the target, characterized in that q the radiation generates a probe signal according to the law s (arctan (t), when receiving the signal reflected from the target, interpolation of the samples of the received signal according to the law
Figure 00000050
performed within the time interval between two adjacent samples.
RU2005128998/09A 2005-09-13 2005-09-13 Method for correlation processing of signals, reflected from fast-moving targets RU2293997C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2005128998/09A RU2293997C1 (en) 2005-09-13 2005-09-13 Method for correlation processing of signals, reflected from fast-moving targets

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2005128998/09A RU2293997C1 (en) 2005-09-13 2005-09-13 Method for correlation processing of signals, reflected from fast-moving targets

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2293997C1 true RU2293997C1 (en) 2007-02-20

Family

ID=37863530

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2005128998/09A RU2293997C1 (en) 2005-09-13 2005-09-13 Method for correlation processing of signals, reflected from fast-moving targets

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2293997C1 (en)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2487367C2 (en) * 2009-06-15 2013-07-10 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военный учебно-научный центр Военно-Морского Флота "Военно-морская академия имени Адмирала Флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова" Method and apparatus for fast computation of signal uncertainty function based on reverberation interference
RU2528556C1 (en) * 2013-05-22 2014-09-20 Открытое акционерное общество "Концерн "Океанприбор" Method of processing sonar echo signal
RU2650835C1 (en) * 2017-03-28 2018-04-17 Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" Method of the target parameters determining by the sonar
RU2674552C1 (en) * 2017-12-07 2018-12-11 Акционерное общество "Концерн" "Океанприбор" Sonar method of object detection and measurement of parameters thereof
RU2694269C1 (en) * 2018-06-22 2019-07-11 Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" Method for processing sonar information
RU2832199C1 (en) * 2023-01-25 2024-12-23 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-Морского Флота "Военно-морская академия им. Адмирала Флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова" Method for digital processing of complex broadband location signals

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2487367C2 (en) * 2009-06-15 2013-07-10 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военный учебно-научный центр Военно-Морского Флота "Военно-морская академия имени Адмирала Флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова" Method and apparatus for fast computation of signal uncertainty function based on reverberation interference
RU2528556C1 (en) * 2013-05-22 2014-09-20 Открытое акционерное общество "Концерн "Океанприбор" Method of processing sonar echo signal
RU2650835C1 (en) * 2017-03-28 2018-04-17 Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" Method of the target parameters determining by the sonar
RU2674552C1 (en) * 2017-12-07 2018-12-11 Акционерное общество "Концерн" "Океанприбор" Sonar method of object detection and measurement of parameters thereof
RU2694269C1 (en) * 2018-06-22 2019-07-11 Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" Method for processing sonar information
RU2832199C1 (en) * 2023-01-25 2024-12-23 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-Морского Флота "Военно-морская академия им. Адмирала Флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова" Method for digital processing of complex broadband location signals

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101908196B1 (en) Frequency modulation scheme for fmcw radar
US11846696B2 (en) Reduced complexity FFT-based correlation for automotive radar
JP5871559B2 (en) Radar equipment
JP5251591B2 (en) Pulse compressor
JP2001133544A (en) Radar device and its coherent integrating method
JP5823062B2 (en) Radar equipment
JP6324327B2 (en) Passive radar equipment
JP5460290B2 (en) Radar equipment
US6624783B1 (en) Digital array stretch processor employing two delays
Zheng et al. Radar detection and motion parameters estimation of maneuvering target based on the extended keystone transform (July 2018)
JP2012042214A (en) Radar device
JP4711305B2 (en) Object identification device
JP4992139B2 (en) Target identification device
RU2293997C1 (en) Method for correlation processing of signals, reflected from fast-moving targets
CN115657018A (en) Method, device, equipment and medium for improving random frequency hopping radar imaging
JP6573748B2 (en) Radar equipment
KR101524550B1 (en) Method and Apparatus for a fast Linear Frequency Modulation target detection compensating Doppler effect according to the target speed
JP6976189B2 (en) Object detector
Wei et al. Sequential-based range-Doppler estimation with fast and slow time sub-nyquist sampling
JP2000304862A (en) Distance measuring method for at least one target object
RU2589036C1 (en) Radar with continuous noise signal and method of extending range of measured distances in radar with continuous signal
JP5625326B2 (en) Radar apparatus and distance measurement method thereof
JP2015049074A (en) Radar and object detection method
ITRM20130290A1 (en) CONSISTENT RADAR
JP7316854B2 (en) object detector

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20090914