34

Тема № 1. Принципы обработки информации в КСА.

Занятие № 1. Введение в дисциплину. Этапы обработки РЛИ в КСА.

УЧЕБНЫЕ ВОПРОСЫ:

1. Введение в дисциплину.

2. Первичная обработка РЛИ.

3. Вторичная обработка РЛИ.

4. Третичная обработка РЛИ.

СОДЕРЖАНИЕ УЧЕБНОГО МАТЕРИАЛА

1.Введение в дисциплину.

Техническая подготовка имеет целью научить студентов грамотно эксплуатировать комплекс средств автоматизации в объеме функциональных обязанностей командира отделения операторов, поддерживать ее в постоянной готовности к боевому применению.

На изучение данной дисциплины отводится 44 часа, из них 38 – на групповых занятиях и 6 часов на практическом занятии.

В результате изучения дисциплины студенты должны:

ЗНАТЬ:

• принципы построения основных систем радиоэлектронной техники радиотехнических войск противовоздушной обороны;

• тактико-технические и эксплуатационные характеристики КСА 9С467-2М;

• способы применения КСА 9С467-2М при ведении боевых действий в сложной воздушной и помеховой обстановке при активном воздействии средств воздушного нападения вероятного противника;

• структурные и функциональные схемы основных систем КСА 9С467-2М;

• основные режимы работы и особенности их использования при ведении боевой работы;

• правила эксплуатации и обслуживания КСА 9С467-2М;

• порядок проверки и оценки технического состояния и сбережения КСА 9С467-2М;

• меры безопасности и противопожарной охраны при эксплуатации, обслуживании и ремонте КСА 9С467-2М;

• виды и периодичность технического обслуживания КСА 9С467-2М, порядок их проведения;

• нормативы боевой работы и порядок их выполнения.

УМЕТЬ:

• управлять режимами работы операторов КСА 5Н93М, обеспечивая оптимальные условия работы в различных условиях воздушной обстановки;

• пользоваться контрольно-измерительной аппаратурой.

БЫТЬ ОЗНАКОМЛЕНЫ:

с видами и периодичностью технического обслуживания КСА 9С467-2, порядком их проведения.

ИМЕТЬ НАВЫКИ:

в проведении технического обслуживания, проверки и подготовки КСА 9С467-2 к боевому применению.

2.Первичная обработка рли.

Основными задачами первичной обработки РЛИ являются:

- обнаружение отраженных сигналов (воздушных целей);

- измерение координат обнаруженных целей.

Дополнительными задачами являются:

- кодирование координат обнаруженной цели;

- первичная нумерация целей;

- запоминание координат цели.

Статистические характеристики сигналов и помех на входе системы ПОИ.

Подробно характеристики радиолокационных сигналов рассматриваютcя в статистической радиолокации. Ниже приводятся лишь те характеристики сигналов и помех, которые используются при рассмотрении вопросов первичной обработки информации.

В дальнейшем под ПОИ понимается некогерентная (последетекторная)

обработка. Поэтому входным сигналом для системы первичной обработки информации является сигнал, снимаемый с выхода приемного устройства РЛС. Выделение огибающей на детекторе устраняет из рас смотрения фазу и частоту высокочастотного заполнения принимаемых колебаний. В этом случае суждение о наличии (отсутствии) отражаемого от цели сигнала делается на основании величины выходного напряжения приемного устройства, которое пропорционально величины огибающей амплитудных значений, выделяемой на нагрузке детектора.

Статистические характеристики этого напряжения и являются исходными для синтеза оптимальных устройств первичной обработки РЛИ.

Статистические характеристики помех.

Основными источниками указанных помех являются:

• внутренние шумы приемной аппаратуры РЛС;

• пассивные помехи;

• активные шумовые помехи;

• помехи, наводимые в приемной антенне электромагнитными колебаниями, вызванными электромагнитными процессами в атмосфере и космосе.

В результате воздействия флюктуационного шума на приемное устройство РЛС на нагрузке детектора огибающей выделяется напряжение, плотность вероятности мгновенных значений которого описывается законом Релея

(2.1)

где U - мгновенное значение напряжения на выходе детектора огибающей;

- дисперсия флюктуационной помехи.

Статистические характеристики сигналов.

Под сигналам будем понимать огибающую аддитивной смеси отраженного от цели сигнала и помехи, выделяемой на нагрузке детектора огибающей. Обычно считают, что отраженный от цели сигнал имеет постоянную или быстро флюктуирующую амплитуду.

В случае постоянной амплитуды отраженного от цели сигнала плотность вероятности мгновенных значений напряжения на выходе детектора огибающей описывается обобщенным законом Релея

(2.2)

где U - напряжение на выходе детектора огибающей аддитивной смеси отраженного от цели сигнала и шума;

U_с - амплитуда отраженного от цели сигнала;

Iо(Z) - модифицированная функция Бесселя первого рода нулевого

порядка ( ).

В частном случае при , т.е. при отсутствии отраженного от цели сигнала, и выражение (2.2) принимает вид обычного закона Релея. Чем больше значение , тем закон стремится к нормальному.

В случае быстрых флюктуаций отраженных от цели сигналов напряжение на выходе детектора огибающей амплитуд аддитивной смеси отраженного сигнала с помехой распределено по закону Релея

(2.3)

где - среднее значение квадратов амплитуд сигнала.

Таким образом, одномерная плотность вероятности для выборочных значений огибающей соответственно может быть описана выражениями (1.1)-(1.3).

Часто возникает необходимость в записи современной плотности вероятности для n выборочных значений (например, для пачки из n импульсов). Совместная плотность может быть записана для случая отсутствия корреляции между выборочными значениями в виде

W(U1;U2;....;Un)=W(U1)*W(U2)*....*W(Un)= W(Ui)

Оптимальное обнаружение одиночного импульса

Для оптимального обнаружения одиночного сигнала необходимо определить отношение правдоподобия и сравнить его с пороговым значением в соответствии с выражением. Для решения данной задачи плотности вероятности сигналов и помех на выходе системы ПОИ.

В выражении для плотности вероятности помех перейдем к безразмерной величине:

(2.1)

Аналогично переходя к безразмерной величине, обобщенный закон Релея примет вид

(2.2)

где

Для отыскания алгоритма оптимального обнаружения одиночного импульсного сигнала в шуме составим отношение правдоподобия и сравним его с порогом l, определяемым в соответствии с выбранным критерием:

(2.3)

Для упрощения вычислительного устройства перейдем к логарифмическому значению. Заметим, что из-за монотонности логарифмической функции неравенство (2.6) не нарушится, изменятся лишь численные значения правой и левой частей

В результате получаем окончательное выражение для алгоритма обнаружения одиночного импульсного сигнала

(2.4)

где

Таким образом, принятый сигнал необходимо подвергнуть нелинейному функциональному преобразованию и результат сравнить с пороговым значением l'.

Функция Z может быть аппроксимирована следующим выражением:

Случай соответствует слабому сигналу; - сильному сигналу.

Оптимальная характеристика детектора должна быть квадратичной для слабых по сравнению с шумом сигналов и линейной - для сильных.

Оптимальное обнаружение пакета импульсных сигналов

Реально сигнал от цели представляется не одним отраженным импульсом, а пачкой (пакетом) импульсов, имеющих практически одну и ту же дальность. Число импульсов в пакете определяется главным образом шириной диаграммы направленности антенны, скоростью ее вращения и частотой повторения зондирующих импульсов.

Пусть антенна РЛС кругового обзора вращается с круговой скоростью и имеет ширину диаграммы направленности в горизонтальной плоскости. Обозначим период повторения зондирующих импульсов через Тп. При появлении в пределах диаграммы направленности цели от нее будет отражаться излученный РЛС сигнал.

Он будет приниматься приемным устройством станции с некоторой задержкой t относительно своего зондирующего импульса. За время нахождения цели в пределах диаграммы направленности будет излучено станцией несколько зондирующих импульсов, а следовательно, и принятого приемным устройством несколько отраженных от цели сигналов. Число импульсов в пакете определяется выражением

где К -коэффициент, учитывающий появление отраженных импульсов за пределами уровня 0,5 диаграммы направленности (К=1-1.5).

Поэтому на ИКО отраженные одиночные импульсы, отображаясь на различных радиальных развертках, имеют одинаковое расстояние от центра экрана и вместе представляют собой отметку в виде небольшой дужки.

Для обнаружения цели необходимо использовать всю совокупность отраженных сигналов. Практически так поступает оператор, анализируя отметку на экране индикатора.

Таким образом, для обнаружения цели мы имеем не одиночный сигнал, а несколько отраженных импульсов, т.е. выборку

X = (x1,x2,...,xn).

Если при оптимальной обработке одиночного сигнала мы оперировали с одномерными плотностями вероятности, то для обработки пакета импульсных сигналов необходимы соответствующие плотности вероятности n-мерных выборок:

Wnш(x1,x2,...,xn);

Wnсш(x1,x2,...xn),

определенные в дискретные моменты t1,t2,...,tn. Так как при приеме пакета время между смежными сигналами (отраженными импульсами) достаточно велико, то случайные флюктуации их независимы. В этом случае многомерные плотности вероятности могут быть выражены через одномерные:

Для оптимального обнаружения составим отношения правдоподобия и сравним его с порогом

Предположив, что условные распределения вероятностей огибающей напряжения смеси сигнала и шума и огибающей напряжения чистого шума для отдельных импульсов пачки подчинены обобщенному закону Релея и закону Релея соответственно, можно записать

После логарифмирования получим

После преобразований запишем алгоритм оптимального обнаружения пакета

(2.5)

где

Как видно из выражения (2.5), каждый сигнал необходимо подвергнуть функциональному преобразованию lnIo(ai xi), затем просуммировать полученные значения. При превышении суммарным значением порогового уровня принимается решение об уничтожении цели. Накопление может быть аналоговым или цифровым. В аналоговых накопителях используются линии задержки или потенциалоскопы. Однако линии задержки достаточно громоздки, так как задержку нужно осуществлять на сотни и тысячи микросекунд. Потенциалоскопы более компактны, но они работают неустойчиво. Кроме того, накопление сигнала в потенциалоскопах происходит нелинейно, что приводит к потере информации.

В связи с этим в настоящее время все чаще применяются цифровые накопители. Они значительно проще, экономичнее, надежнее. Однако для использования цифровых накопителей необходимо преобразование сигнала в цифровую форму. Последнее приводит к некоторой потере информации, которая в некоторой мере компенсируется последующей более качественной цифровой обработкой.

При цифровой обработке решаются следующие задачи:

• преобразование сигнала в цифровую форму;

• составление алгоритмов оптимальной обработки;

схемная реализация алгоритмов.

Оптимальное обнаружение пакета двоично-квантованных сигналов

Дискретизация сигналов. При обработке радиолокационной информации с помощью дискретных устройств необходимо предварительно преобразовать непрерывное выходное напряжение приемника РЛС в дискретную по времени и амплитуде форму сигнала.

Первым этапом дискретизации сигналов с помощью дискретных устройств является дискретизация по времени. При этом непрерывный за время наблюдения сигнал преобразуется во временную последовательность дискретных значений амплитуды в определенные моменты. В общем случае в дискретные моменты времени может определятся не только значение амплитуды, но и другие параметры сигнала.

Вторым этапом дискретизации является квантование по амплитуде. Напряжение с выхода приемного устройства РЛС поступает на вход схемы временного квантования. На другой вход схемы поступают масштабные импульсы временного квантования длительностью кв с периодом tкв. На выходе схемы получается выборка огибающей в пределах каждого импульса квантования. Эта выборка поступает на вход схемы амплитудного квантования. Схема амплитудного квантования в общем случае может иметь m порогов и (m+1) уровней и выдает на выходе номер уровня, который превышен сигналом в каждом интервале временного квантования. Номер уровня может быть закодирован в двоичном коде или представлен числом импульсов стандартной амплитуды, равным числу превышенных уровней.

На практике часто производится квантование на два уровня, так называемое бинарное квантование. При бинарном квантовании схема выдает стандартный импульс (единицу), если амплитуда импульса превышает порог, и пропуск (нуль), если этот порог не превышается.

Временное квантование приводит к разбивке дальности действия РЛС на элементарные участки

Число таких участков определяется из выражения

где Dmax - максимальная дальность обнаружения РЛС (рис. 2.1).

|<--->|<------

___________|____|........|____|____|____|______

D Dmax D

Рис. 2.1. Принцип квантования по дальности

Каждая развертка дальности начинается в момент излучения соответствующего импульса. Ввиду наличия вращения антенны ее азимут в момент излучения одного зондирующего импульса будет отличатся на какой-то угол от азимута в момент излучения следующего зондирующего импульса. Поэтому зона обзора РЛС разбивается на элементарные участки по азимуту с дискретностью

где Тп - период повторения зондирующих импульсов;

Т - период вращения антенны.

Таким образом, в результате временного квантования зона обзора РЛС разбивается на элементарные ячейки (рис. 2.1) с размерами

Общее число элементарных ячеек в зоне обзора РЛС равно

Квантование амплитуд сигналов приводит к дискретизации яркости свечения каждой элементарной ячейки экрана. При двоичном квантовании будет иметь место наличие или отсутствие единиц в определенных ячейках памяти (светящихся точек на экране индикатора). В этом случае обработка информации с целью обнаружения цели и определении координат сводится к последовательному анализу всех ячеек, относящихся к одной дальности (так как импульсы в пачке имеют одну и ту же дальность).

Оптимальный алгоритм обнаружения пакета двоично-квантованный сигналов. Теоретически никакой алгоритм обработки квантованных сигналов не может обеспечить лучше или даже равные качественные характеристики, чем алгоритм оптимальной обработки не квантованных сигналов.

Дело в том, что квантование неизбежно связанно с потерей информации.

Так, при получении единицы нам известно лишь, что превышен порог, но мы не можем сказать, на какую величину он превышен (применительно к бинарному квантованию). С другой стороны, квантованные сигналы можно обрабатывать с помощью цифровых вычислительных устройств, которые в отличие от аналоговых не свойственно явление насыщения. Поэтому, несмотря на потери при квантовании, дискретная обработка квантовых сигналов во многих случаях будет не менее эффективной, чем аналоговая.

Рассмотрим алгоритм оптимального обнаружения двоично-квантованных сигналов. При решении данной задачи необходимо помнить, что анализируется информация тех ячеек, которые соответствуют одинаковой дальности (одного кольца дальности).

Пусть произведена дискретная выборка значений (x₁,x₂,...x_n) на n элементарных соседних участках по азимуту в пределах одного кольца дальности. Каждое из выборочных значений x_i подвергается затем двоичному квантованию по амплитуде путем сравнения с пороговым x_o. В результате

1, если x_i >= x_o;

0, если x_i < x_o.

Совокупность исходов после квантования представляет собой последовательность нулей и единиц. Задача обнаружения пакета в данном случае формулируется так: на основе анализа полученной последовательности нулей и единиц оптимальным образом решить, представляет ли принятая выборка пачку отраженных от цели импульсов или она относится к помехе. При этом оптимальный алгоритм обнаружения, как и в случае не квантованных сигналов, сводится к проверке гипотезы H_o об отсутствии полезного сигнала против альтернативной гипотезы H₁ о его наличии. Для этого требуется составить отношение правдоподобия и сравнить его с порогом, определяемым в соответствии с выбранным критерием. С этой целью, необходимо, прежде всего, найти статистические характеристики последовательности нулей и единиц, подлежащих обработке.

Обозначим через Р_i вероятность получения единицы на i-й позиции, а через qi-вероятность получения нуля на этой позиции. Очевидно,

q_i = 1 - P_i.

Вероятность получения любого из двух возможных исходов в результате i-го испытания можно записать в виде

(x_i=1 или x_i=0)

Вследствие независимости испытаний совместная вероятность получения некоторой комбинации нулей и единиц во всех n испытаниях равна

(2.6)

В соответствии с формулой (2.6) вероятность получения единиц в каждом из n испытаний равна

а вероятность получения всех нулей

На основании выражения (2.6) можно записать формулу условной вероятности получения некоторой комбинации нулей и единиц Р_i(x₁; x₂; x_n/H₁) для случая существования гипотезы H₁:

Соответственно для гипотезы H₀ получим

(2.7)

где Рc_i; Pш_i - вероятность получения единицы на i-й позиции в области сигнала и помех и одних помех соответственно.

Найдем отношение правдоподобия и сравним его с постоянным числом l, выбираемым в соответственно с установленным критерием оптимальности решения:

Подставляя значения, получим

После логарифмирования получим

Окончательно