RU157465U1 - Устройство автоматической компенсации помех на основе алгоритма грама-шмидта с повышенной вычислительной эффективностью - Google Patents

Abstract

Устройство автоматической компенсации помех на основе алгоритма Грама-Шмидта с повышенной вычислительной эффективностью, имеющее N каналов, содержащее N коммутирующих ключей, один выход каждого из которых соединен с одним из входов блока вычисления весовых коэффициентов, а второй - с одним из входов блока компенсации, отличающееся тем, что в устройство введен блок пересчета весовых коэффициентов, вход которого соединен с выходом блока вычисления весовых коэффициентов, а выходы - с входами блока компенсации, содержащего N комплексных умножителей и N-1 комплексных сумматоров, соединенных таким образом, что один из входов каждого комплексного умножителя соединен с выходом каждого из коммутирующих ключей, а второй - с выходом блока пересчета весовых коэффициентов, выходы первых двух комплексных перемножителей соединены с входами первого комплексного сумматора, к каждому из двух входов последующих комплексных сумматоров подключен выход соответствующего комплексного умножителя и выход предыдущего комплексного сумматора, выход последнего комплексного сумматора является выходом всего устройства.

Description

Устройство относится к области радиолокации и, конкретно, к системам радиоэлектронной защиты активных РЛС от активных шумовых помех различного происхождения, воздействующих по боковым лепесткам диаграммы направленности приемной антенной системы, путем их компенсации. Устройство может быть использовано в системах обработки первичной радиолокационной информации активных РЛС различного назначения имеющих устройства защиты от активных шумовых помех компенсационного типа.

Известен автокомпенсатор помех [1], предназначенный для автоматической компенсации активных шумовых помех воздействующих по боковым лепесткам диаграммы направленности, работающий с цифровыми, в общем случае комплексными (квадратурными) сигналами, основанный на использовании алгоритма Грама-Шмидта. Автокомпенсатор состоит из блока вычисления весовых коэффициентов (БВВК) и блока компенсации. БВВК предназначен для оценки весовых коэффициентов на основе анализа обучающей выборки, представляющей собой сигналы защищаемого и компенсационных каналов, представленных в цифровой комплексной форме. Блок компенсации предназначен для компенсации сигналов помех принимаемых защищаемым каналом по боковым лепесткам диаграммы направленности, путем весового суммирования с сигналами компенсационных каналов.

Работа автокомпенсатора помех производится в следующей последовательности. Максимум диаграммы направленности защищаемого канала РЛС устанавливается в заданном угловом направлении путем механического поворота антенны, либо заданием соответствующего амплитудно-фазового распределения на ее раскрыве. Максимумы диаграмм направленности компенсационных каналов аналогичными способами устанавливаются в направлениях прихода сигналов помех (в направлениях источников помех). На основе анализа принимаемых всеми каналами сигналов, в БВВК производится оценка матрицы весовых коэффициентов U. Структурная схема четырехканального БВВК с 1 защищаемым и 3 компенсационными каналами приведена на фиг. 1. Структурно БВВК состоит из идентичных блоков В 1.1-В 3.3, реализующих оценку элементов матрицы весовых коэффициентов U по формуле

и вычисление выходного сигнала блока по формуле

где Y_x, Y_y - вектора-строки;

T - знак транспонирования;

- евклидова норма вектора.

Выходной сигнал блока Y′ является входным сигналом для последующего блока (блоков). Результатом работы БВВК является матрица весовых коэффициентов U.

На этапе оценки весовых коэффициентов исключается прием эхо-сигналов активного зондирования, то есть как сигналов отраженных радиолокационными целями, так и сигналов отраженных подстилающей поверхностью, местными предметами, метеорологическими образованиями и т.д.

Структура программы работы БВВК, соответствующая схеме, приведенной на фиг. 2, для N каналов [2], из которых компенсационные каналы имеют индексы с 1 по N-1, а защищаемый канал индекс N, приведена на фиг. 2.

После этапа оценки весовых коэффициентов производится зондирование заданного углового направления. При приеме эхо-сигналов производится компенсация (фильтрация), сигналов помех блоком компенсации. Структурная схема блока компенсации приведена на фиг. 3. Каждым блоком УН 1.1-УН 3.3 устройства компенсации производится операция умножения с накоплением (2). Программа работы блока компенсации, отличается от программы работы БВВК отсутствием операции оценки весового коэффициента. Выходным сигналом устройства компенсации является вектор-строка Y′ полученная с выхода, имеющего максимальный индекс. Для схемы, приведенной на фиг. 3, выходом является

.

Объем вычислений, производимых автокомпенсатором помех, согласно [1, 2] составляет:

на этапе оценки весовых коэффициентов: KN² операций комплексного умножения-сложения, 2KN действительных операций умножения-сложения и N операций извлечения квадратного корня, где K - объем обучающей выборки;

на этапе компенсации сигналов помех MN(N-1)/2 операций комплексных сложений-умножений, где M - объем фильтруемой выборки.

В связи с тем, что на практике K<<M, суммарный объем вычислений определяется алгоритмом компенсации (фильтрации) сигналов помех.

В качестве аналога выбран рассмотренный автокомпенсатор активных шумовых помех воздействующих по боковым лепесткам диаграммы направленности, работающий с цифровыми, в общем случае комплексными (квадратурными) сигналами, основанный на использовании алгоритма Грама-Шмидта [1, 2].

Технической задачей полезной модели является снижение суммарного объема вычислений, необходимых для работы устройства автоматической компенсации помех.

Поставленная техническая задача достигается использованием в составе устройства автоматической компенсации помех на основе алгоритма Грама-Шмидта с повышенной вычислительной эффективностью блока пересчета весовых коэффициентов и упрощенного блока компенсации, содержащего меньшее число умножителей и сумматоров сигналов. Блок пересчета весовых коэффициентов выполняет свою функцию однократно за время компенсации помех в фильтруемой выборке. Алгоритм работы предложенного блока компенсации содержит меньший объем вычислительных операций, чем у аналога, благодаря использованию вектора весовых коэффициентов вместо матрицы весовых коэффициентов.

Автокомпенсатор помех, имеющий N каналов из которых число компенсационных N-1, состоит из N коммутирующих ключей, N умножителей, N-1 сумматоров, вычислителя весовых коэффициентов и блока пересчета весовых коэффициентов.

Для работы устройства компенсации активных помех, в отличие от адаптивной антенной решетки [2], используется только сигнал с выхода, имеющего индекс N. В схеме, приведенной на фиг. 3, N=4, а выходным сигналом, соответственно, является

. Согласно [1] схемы, приведенные на фиг. 3 и 4, идентичны. С учетом этого, на этапе компенсации сигналов помех, схема, приведенная на фиг. 3, использующая матрицу весовых коэффициентов U, заменена схемой приведенной на фиг. 4, с вектором-столбцом весовых коэффициентов W. Схема программы пересчета матрицы весовых коэффициентов U в вектор весовых коэффициентов W приведена на фиг. 5.

Однократная операция пересчета матрицы весовых коэффициентов в вектор, позволяет, согласно фиг. 4, снизить объем вычислений на этапе компенсации сигналов помех до KN операций комплексных сложений-умножений.

На фиг. 1 приведена структурная схема четырехканального БВВК с 1 защищаемым и 3 компенсационными каналами. Блоки В 1.1-В 3.3, реализуют оценку весового коэффициента u по (1).

На фиг. 2 приведена схема программы вычисления матрицы весовых коэффициентов по модифицированному алгоритму Грама-Шмидта.

На фиг. 3 приведена структурная схема блока компенсации. Блоки УН 1.1-УН 3.3 реализуют операцию умножения с накоплением (2).

На фиг. 4 приведена структурная схема предложенного блока компенсации. Блоки П.1-П.4 реализуют операцию умножения входных сигналов Y₁-Y₄ с весовыми коэффициентами w₁-w₄, блоки С.1-С.3 реализуют операцию сложения.

На фиг. 5 приведена схема программы пересчета матрицы весовых коэффициентов в вектор весовых коэффициентов.

На фиг. 6 приведена структурная схема устройства автоматической компенсации помех на основе алгоритма Грама-Шмидта с повышенной вычислительной эффективностью в составе приемного устройства РЛС. На фиг. 6 приняты следующие обозначения:

1 - устройство автоматической компенсации помех на основе алгоритма Грама-Шмидта с повышенной вычислительной эффективностью;

2 - блок компенсации;

A.1-A.N - приемные антенны, из которых A.1-A.N-1 - антенны компенсационных каналов, A.N - антенна защищаемого канала;

РПрК.1-РПрК.N-радиоприемные каналы, реализующие классические функции обработки радиосигналов;

АЦП.1-АЦП.N - аналого-цифровые преобразователи;

К.1-К.N - коммутационные ключи;

П.1-П.N - комплексные умножители;

C.1-C.N - комплексные сумматоры;

БВВК - вычислитель весовых коэффициентов по алгоритму Грама-Шмидта;

БПВК - блок пересчета весовых коэффициентов.

Работа устройства автоматической компенсации помех на основе алгоритма Грама-Шмидта с повышенной вычислительной эффективностью, в отличие от аналога, осуществляется в три этапа.

На первом этапе, аналогично аналогу, производится установка максимума диаграммы направленности защищаемого канала РЛС в заданном угловом направлении путем механического поворота антенны, либо заданием соответствующего амплитудно-фазового распределения на ее раскрыве. Максимумы диаграмм направленности компенсационных каналов аналогичными способами устанавливаются в направлениях прихода сигналов помех (в направлениях источников помех). При этом ключи К.1-К.N коммутируют цифровые данные с выходов соответствующих АЦП на вход блока БВВК, который производит вычисление матрицы весовых коэффициентов U.

На втором этапе, согласно схеме программы приведенной на фиг. 5, производится пересчет матрицы весовых коэффициентов U в вектор весовых коэффициентов W.

На третьем этапе производится зондирование заданного углового направления с последующим приемом эхо-сигналов. При приеме эхо-сигналов ключи К.1-К.N коммутируют цифровые данные с выходов соответствующих АЦП на вход системы компенсации, состоящей из комплексных умножителей П.1-П.N и комплексных сумматоров C.1-C.N. На входы комплексных умножителей П.1-П.N подаются вычисленные БПВК весовые коэффициенты w₁-w_N.

Объем вычислений, производимых предложенных устройством автоматической компенсации помех, составляет:

на этапе оценки весовых коэффициентов - KN² операций комплексного умножения-сложения, 2KN действительных операций умножения-сложения и N операций извлечения квадратного корня;

на этапе пересчета матрицы весовых коэффициентов U в вектор весовых коэффициентов W - N(N-1) операций комплексных сложений-умножений;

на этапе компенсации сигналов помех - MN операций комплексных сложений-умножений.

Таким образом, в предложенном устройстве число операций на этапе компенсации сигналов помех составляет MN, против MN(N-1)/2 для аналога.

В таблице приведены зависимости оценок выигрыша в сокращении операций комплексного умножения с накоплением для различных значений отношения объема фильтруемой выборки к объему обучающей выборки M/K и числа каналов N в разах. Как видно из таблицы, выигрыш в сокращении числа операций комплексного умножения с накоплением, преобладающих в алгоритме Грама-Шмидта, пропорционален числу каналов устройства автоматической компенсации помех и соотношению объемов фильтруемой и обучаемой выборок.

Устройство автоматической компенсации помех на основе алгоритма Грама-Шмидта с повышенной вычислительной эффективностью отличается от аналога введением блока пересчета весовых коэффициентов и использованием устройства компенсации с меньшим числом вычислительных операций. Техническим результатом является сокращение суммарного объема вычислений и в зависимости от типовых значений отношения объема фильтруемой выборки к объему обучающей выборки и числа компенсационных каналов составляет от 1,2 до 5,9 раз без снижения других характеристик устройства.

Литература

1. Monzingo R.A., Miller T.W. Introduction to adaptive arrays. SciTech Publishing, Inc, 2004.

2. Ратынский M.B. Адаптация и сверхразрешение в антенных решетках. - М.: Радио и связь, 2003.

Claims (1)

1. Устройство автоматической компенсации помех на основе алгоритма Грама-Шмидта с повышенной вычислительной эффективностью, имеющее N каналов, содержащее N коммутирующих ключей, один выход каждого из которых соединен с одним из входов блока вычисления весовых коэффициентов, а второй - с одним из входов блока компенсации, отличающееся тем, что в устройство введен блок пересчета весовых коэффициентов, вход которого соединен с выходом блока вычисления весовых коэффициентов, а выходы - с входами блока компенсации, содержащего N комплексных умножителей и N-1 комплексных сумматоров, соединенных таким образом, что один из входов каждого комплексного умножителя соединен с выходом каждого из коммутирующих ключей, а второй - с выходом блока пересчета весовых коэффициентов, выходы первых двух комплексных перемножителей соединены с входами первого комплексного сумматора, к каждому из двух входов последующих комплексных сумматоров подключен выход соответствующего комплексного умножителя и выход предыдущего комплексного сумматора, выход последнего комплексного сумматора является выходом всего устройства.

   

Images