RU2536169C1

RU2536169C1 - Method of two-stroke spectral processing of additional signals

Info

Publication number: RU2536169C1
Application number: RU2013142535/07A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Владиславович Вдовин; Дмитрий Николаевич Кривченков; Юрий Игоревич Компаниец; Евгений Дмитриевич Шершнев
Original assignee: Открытое акционерное общество "Государственный Рязанский приборный завод"
Priority date: 2013-09-17
Filing date: 2013-09-17
Publication date: 2014-12-20

Abstract

FIELD: radio, communication.

SUBSTANCE: emitting of pulse phase-code-manipulated (PCM) signals is carried out with the change in the code of the phase manipulation from period to period of sensing, receiving of reflected signals and their processing is carried out, and in each period of sensing one of two PCM signals matched with each other is emitted, which amplitudes of side lobes of autocorrelation functions are equal in module but have opposite signs, and the main peaks of the autocorrelation functions are equal. When receiving the reflected signals their compression is carried out for each sensing period separately to obtain readings of the compression results. The emitting, receiving and processing the PCM signals is carried out over two clock intervals, in one of which in each period of sensing the same PCM signal is emitted, and in the other clock interval two PCM signals are used, the emitting of which I carried out alternatively sequentially from period to period of sensing. Upon receipt of the compression results readings in both clock intervals for each obtained range element an N-point discrete Fourier transforming is carried out to obtain spectral readings (discrete spectrum). The discrete spectra obtained for each clock interval are compared, and thereby the components are isolated, relating to the main peaks (desired signal).

EFFECT: increase in resolving capacity of radar systems.

8 dwg

Description

Изобретение относится к системам, использующим отражение или вторичное излучение радиоволн, например к радиолокационным, в которых для передачи импульсов используется фазовая модуляция частоты. Заявляемый способ может использоваться в устройствах обработки радиолокационных сигналов для улучшения распознавания широкополосных сигналов на фоне шумов.The invention relates to systems using reflection or secondary radiation of radio waves, for example, radar systems in which phase modulation of frequency is used to transmit pulses. The inventive method can be used in devices for processing radar signals to improve the recognition of broadband signals against a background of noise.

Развитие современных радиолокационных систем неразрывно связано с применением сложно-модулированных зондирующих сигналов. Применение сложных сигналов способствует повышению энергетического потенциала, помехоустойчивости, скрытности и электромагнитной совместимости радиолокационных систем, а также позволяет достичь высоких показателей разрешающей способности по информативным параметрам полезных сигналов [Радиоэлектронные системы: основы построения и теория. Справочник. / Ширман Я.Д., Лосев Ю.И., Минервин Н.Н., Москвитин С.В., Горшков С.А., Леховицкий Д.И., Левченко Л.С. / Под ред. Я.Д. Ширмана. - М.: ЗАО «МАКВИС», 1998, стр.108]. Среди многообразия сложных сигналов нашли широкое применение сигналы с фазокодовой манипуляцией (ФКМ сигналы). А в связи с развитием статистических методов анализа и синтеза устройств обработки сигнала первостепенное значение для характеристики зондирующего сигнала приобрела автокорреляционная функция (АКФ).The development of modern radar systems is inextricably linked with the use of complex modulated sounding signals. The use of complex signals enhances the energy potential, noise immunity, secrecy and electromagnetic compatibility of radar systems, and also allows to achieve high resolution in informative parameters of useful signals [Radio-electronic systems: the basics of construction and theory. Directory. / Shirman Y.D., Losev Yu.I., Minervin N.N., Moskvitin S.V., Gorshkov S.A., Lekhovitsky D.I., Levchenko L.S. / Ed. POISON. Shirman. - M.: ZAO MAKVIS, 1998, p. 108]. Among the variety of complex signals, signals with phase-code-shift keying (PCM signals) are widely used. And in connection with the development of statistical methods for the analysis and synthesis of signal processing devices, the autocorrelation function (ACF) has become of paramount importance for the characterization of the probing signal.

При приеме отраженные сигналы сжимаются в короткие импульсы в фильтре сжатия. Как правило, для этого используется согласованный фильтр (оптимальный фильтр). За длительность сжатого ФКМ сигнала принимается ширина основного пика его АКФ, однако за его пределами наблюдаются побочные максимумы (боковые лепестки). Основной пик является полезным сигналом и используется для дальнейшей обработки, а боковые лепестки являются помехами, которые могут быть приняты за ложные цели, поэтому их уровень должен быть минимален.When received, the reflected signals are compressed into short pulses in the compression filter. As a rule, a matched filter (optimal filter) is used for this. The width of the main peak of its ACF is taken as the duration of the compressed PCM signal, but side maxima (side lobes) are observed outside it. The main peak is a useful signal and is used for further processing, and the side lobes are interference that can be mistaken for false targets, so their level should be minimal.

Один из подходов, позволяющий минимизировать боковые лепестки, - это использование пары сигналов, промодулированных дополнительными последовательностями [Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. - М.: Радио и связь, 1985 стр.72]. Такие сигналы одинаковой длины, имеющие боковые лепестки своих АКФ, равные по модулю и противоположные по знаку, называют дополнительными.One approach to minimize side lobes is the use of a pair of signals modulated by additional sequences [L. Varakin Communication systems with noise-like signals. - M .: Radio and communications, 1985 p. 72]. Such signals of the same length, having side lobes of their ACFs, equal in magnitude and opposite in sign, are called complementary.

В качестве прототипа выбран способ подавления боковых лепестков автокорреляционной функции широкополосного сигнала [патент RU №2335782, МПК G01S 7/36, 2006], в котором производят излучение импульсных ФКМ сигналов с изменением кода фазовой манипуляции от периода к периоду повторения зондирующих импульсов (зондирования), выполняют прием отраженных сигналов и их обработку. При этом в каждом периоде зондирования излучают один из двух согласованных друг с другом ФКМ сигналов, у которых амплитуды боковых лепестков автокорреляционных функций равны по модулю, но имеют противоположные знаки, а основные пики автокорреляционных функций равны. При приеме отраженных сигналов производят их сжатие (оптимальную фильтрацию) отдельно для каждого периода зондирования, суммируют результаты сжатия с задержкой первого результата относительно второго на период зондирования в соответствии с временным положением согласованных друг с другом ФКМ сигналов. Если ФКМ сигналы были согласованы, то уровень боковых лепестков результата суммирования будет равен нулю, а полезный сигнал (основной пик) увеличится в два раза.As a prototype, a method for suppressing the side lobes of the autocorrelation function of a broadband signal [patent RU No. 23335782, IPC G01S 7/36, 2006], in which pulse PCM signals are emitted with a change in the phase manipulation code from period to period of repetition of probe pulses (sensing), is selected, receive reflected signals and process them. At the same time, in each sensing period, one of two PCM signals matched to each other is emitted, in which the amplitudes of the side lobes of the autocorrelation functions are equal in absolute value but have opposite signs, and the main peaks of the autocorrelation functions are equal. When receiving the reflected signals, they are compressed (optimal filtering) separately for each sounding period, the compression results are summarized with a delay of the first result relative to the second for the sounding period in accordance with the temporary position of the PCM signals coordinated with each other. If the PCM signals were matched, then the level of the side lobes of the summation result will be zero, and the useful signal (main peak) will double.

Недостаток данного способа заключается в сильной зависимости результата суммирования от доплеровской добавки к частоте отраженного сигнала. При нулевом доплеровском смещении сигналы, принятые в разных периодах излучения, складываются, взаимно компенсируя боковые лепестки своих АКФ. Наличие же доплеровской добавки от подвижной цели приводит к тому, что между двумя сигналами, принятыми в разные периоды зондирования, возникает фазовый сдвиг, приводящий к ошибкам суммирования отсчетов двух сжатых сигналов и увеличению уровня боковых лепестков.The disadvantage of this method is the strong dependence of the summation on the Doppler additive to the frequency of the reflected signal. At zero Doppler shift, the signals received in different periods of radiation add up, mutually compensating for the side lobes of their ACFs. The presence of a Doppler additive from a moving target leads to the fact that a phase shift occurs between two signals received at different periods of sounding, which leads to errors in summing the samples of two compressed signals and an increase in the level of side lobes.

Технический результат заявляемого изобретения направлен на повышение разрешающей способности радиолокационных систем.The technical result of the claimed invention is aimed at increasing the resolution of radar systems.

Технический результат заявляемого способа двухтактной спектральной обработки дополнительных сигналов достигается тем, что в нем в отличие от прототипа излучение, прием и обработку ФКМ сигналов осуществляют за два тактовых интервала (ТИ). При этом в одном из двух ТИ в каждом периоде зондирования излучают один и тот же ФКМ сигнал, а в другом из двух ТИ используют два ФКМ сигнала, излучение которых производят поочередно последовательно от периода к периоду зондирования. После получения отсчетов результатов сжатия вместо их суммирования в обоих ТИ для каждого полученного элемента дальности выполняют N-точечное дискретное преобразование Фурье (ДПФ) с получением спектральных отсчетов (дискретного спектра). Полученные для каждого ТИ дискретные спектры сравнивают, в результате чего выделяют составляющие, относящиеся к основным пикам (полезному сигналу).The technical result of the proposed method of push-pull spectral processing of additional signals is achieved by the fact that in it, in contrast to the prototype, radiation, reception and processing of PCM signals is carried out in two clock intervals (TI). In this case, in one of the two TIs in each sensing period, the same PCM signal is emitted, and in the other of the two TIs two PCM signals are used, the radiation of which is produced alternately sequentially from the period to the period of sounding. After receiving samples of the compression results, instead of summing them in both TIs, for each received range element, an N-point discrete Fourier transform (DFT) is performed to obtain spectral samples (discrete spectrum). The discrete spectra obtained for each TI are compared, as a result of which the components related to the main peaks (useful signal) are distinguished.

Сущность изобретения состоит в том, что выполняют спектральную обработку дополнительных сигналов, в качестве которых используют два согласованных друг с другом ФКМ сигнала, у которых амплитуды боковых лепестков АКФ равны по модулю, но имеют противоположные знаки, а основные пики АКФ равны. При этом излучение, прием и обработку ФКМ сигналов осуществляют за два тактовых интервала (ТИ), в которых в каждом периоде зондирования излучают один из двух ФКМ сигналов. В одном из двух ТИ в каждом периоде зондирования излучают один и тот же ФКМ сигнал, а в другом из двух ТИ используют два ФКМ сигнала, излучение которых производят поочередно последовательно от периода к периоду зондирования. В каждом ТИ количество периодов зондирования составляет N=2^k, где k - целое положительное число. При приеме отраженных сигналов производят их сжатие (оптимальную фильтрацию) отдельно для каждого периода зондирования с получением отсчетов результатов сжатия.The essence of the invention lies in the fact that they perform spectral processing of additional signals, which use two matched PCM signals, in which the amplitudes of the side lobes of the ACF are equal in absolute value but have opposite signs and the main peaks of the ACF are equal. In this case, the radiation, reception and processing of PCM signals is carried out for two clock intervals (TI), in which in each period of sounding emit one of two PCM signals. In one of the two TIs, the same PCM signal is emitted in each sounding period, and the other of the two TIs uses two PCM signals, the radiation of which is produced alternately sequentially from period to period of the sounding. In each TI, the number of sounding periods is N = 2 ^k , where k is a positive integer. When receiving the reflected signals, they are compressed (optimal filtering) separately for each sounding period to obtain samples of the compression results.

Для каждого ТИ осуществляют накопление отсчетов результатов сжатия, которые после окончания текущего ТИ образуют двумерную матрицу, n-ая строка которой будет содержать отсчеты, полученные в n-ом периоде зондирования (n=1, 2, 3, …, N). Каждый столбец данной матрицы будет содержать отсчеты, относящиеся к фиксированному элементу дальности. Для каждого полученного элемента дальности выполняют N-точечное дискретное преобразование Фурье (ДПФ) с получением спектральных отсчетов (дискретного спектра). Для каждого ТИ получают соответствующий дискретный спектр. После этого полученные для двух ТИ дискретные спектры сравнивают. Спектральные отсчеты, относящиеся к основным пикам (полезному сигналу), в обоих дискретных спектрах будут иметь одинаковые номера, а так как во втором ТИ используют оба дополнительных сигнала, то спектральные отсчеты, относящиеся к боковым лепесткам (помехам), будут сдвинуты друг относительно друга ровно на половину одного ТИ или на N/2. Таким образом, в результате сравнения выделяют составляющие, относящиеся к основным пикам (полезному сигналу).For each TI, samples of compression results are accumulated, which, after the end of the current TI, form a two-dimensional matrix, the n-th row of which will contain the samples obtained in the n-th sensing period (n = 1, 2, 3, ..., N). Each column of this matrix will contain samples related to a fixed range element. For each received range element, an N-point discrete Fourier transform (DFT) is performed to obtain spectral readings (discrete spectrum). For each TI receive the corresponding discrete spectrum. After that, the discrete spectra obtained for two TIs are compared. The spectral samples related to the main peaks (useful signal) will have the same numbers in both discrete spectra, and since the second TI uses both additional signals, the spectral samples related to the side lobes (interference) will be shifted exactly relative to each other half one TI or N / 2. Thus, as a result of the comparison, the components related to the main peaks (useful signal) are isolated.

На фиг.1 изображено устройство для двухтактной спектральной обработки принятых отраженных сигналов.Figure 1 shows a device for push-pull spectral processing of the received reflected signals.

Устройство состоит из управляемого оптимального фильтра (УОФ) 1, первого оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) 2, блока N-точечного ДПФ 3, второго ОЗУ 4, устройства сравнения (УС) 5. Вход УОФ 1 является входом устройства, на который поступают отраженные сигналы. Выход УОФ 1 соединен с входом первого ОЗУ 2. Выход первого ОЗУ 2 соединен с входом блока N-точечного ДПФ 3, выход которого соединен с входом второго ОЗУ 4 и со вторым входом УС 5. Выход второго ОЗУ 4 соединен с первым входом УС 5. Выход УС 5 является выходом устройства.The device consists of a controlled optimal filter (UOF) 1, the first random access memory (RAM) 2, the block N-point DFT 3, the second RAM 4, the comparison device (US) 5. The input UOF 1 is the input of the device to which the reflected signals . The output of the UOF 1 is connected to the input of the first RAM 2. The output of the first RAM 2 is connected to the input of the N-point DFT 3, the output of which is connected to the input of the second RAM 4 and to the second input of the DC 5. The output of the second RAM 4 is connected to the first input of the USB 5. The output of US 5 is the output of the device.

Двухтактная спектральная обработка принятых отраженных сигналов реализуется устройством следующим образом.Push-pull spectral processing of the received reflected signals is implemented by the device as follows.

В обоих ТИ в каждом периоде зондирования УОФ 1 согласован с используемым в данном периоде излученным ФКМ сигналом и производит сжатие соответствующего ему отраженного сигнала.In both TIs in each sounding period, the UVF 1 is matched with the emitted PCM signal used in this period and compresses the corresponding reflected signal.

В первом ТИ в N периодах зондирования используется один и тот же ФКМ сигнал из пары дополнительных сигналов. После сжатия принятых отраженных сигналов первое ОЗУ 2 выполняет построчное сохранение отсчетов результатов сжатия, при этом отсчеты, полученные в n-ом периоде зондирования, будут находиться в n-ой строке (n=1, 2, 3, …, N), а в каждом столбце будут находиться N отсчетов, относящихся к фиксированному элементу дальности. После заполнения первого ОЗУ 2 N отсчетов из каждого столбца передаются в блок TV-точечного ДПФ 3, который вычисляет спектральные отсчеты для каждого элемента дальности. После этого ОЗУ 4 сохраняет полученные спектральные отсчеты, которые также поступают на второй вход УС 5 для последующего сравнения.In the first TI, in the N sounding periods, the same PCM signal from a pair of additional signals is used. After compression of the received reflected signals, the first RAM 2 performs line-by-line saving of samples of the compression results, while the samples obtained in the n-th sensing period will be in the n-th line (n = 1, 2, 3, ..., N), and each column will contain N samples related to a fixed range element. After filling in the first RAM 2 N samples from each column are transferred to the block of TV-point DFT 3, which calculates the spectral samples for each element of the range. After that, the RAM 4 saves the received spectral samples, which also go to the second input of the USB 5 for subsequent comparison.

Во втором ТИ в N периодах зондирования используются оба ФКМ сигнала из пары дополнительных сигналов. После сжатия принятых отраженных сигналов первое ОЗУ 2 выполняет построчное сохранение отсчетов результатов сжатия. После заполнения первого ОЗУ 2 N отсчетов из каждого столбца передаются в блок N - точечного ДПФ 3, который вычисляет спектральные отсчеты для каждого элемента дальности.In the second TI in N periods of sounding, both PCM signals from a pair of additional signals are used. After compression of the received reflected signals, the first RAM 2 performs line-by-line saving of samples of the compression results. After filling the first RAM 2 N samples from each column are transferred to the block N - point DFT 3, which calculates the spectral samples for each element of the range.

Спектральные отсчеты, полученные для каждого элемента дальности во втором ТИ, поочередно передаются на второй вход УС 5 и на вход второго ОЗУ 4, замещая сохраненные в нем отсчеты, относящиеся к текущему элементу дальности. При этом на первый вход УС 5 из ОЗУ 4 подаются спектральные отсчеты, полученные в предыдущем ТИ. УС 5 осуществляет сравнение спектральных отсчетов (дискретных спектров), полученных в двух ТИ. Например, УС 5 определяет наличие равенства амплитуд соответствующих спектральных отсчетов из двух дискретных спектров. В случае равенства УС 5 отмечает равные спектральные отсчеты, как составляющие основного пика, в противном случае - бокового лепестка, что позволяет нивелировать его наличие. Результатом работы УС 5 являются дискретные спектры, синтезированные из составляющих, относящихся только к основным пикам (полезному сигналу).The spectral samples obtained for each range element in the second TI are alternately transmitted to the second input of the DC 5 and to the input of the second RAM 4, replacing the samples stored in it related to the current range element. At the same time, the spectral samples obtained in the previous TI are fed to the first input of DC 5 from RAM 4. US 5 compares the spectral readings (discrete spectra) obtained in two TI. For example, CSS 5 determines the presence of equality of amplitudes of the corresponding spectral samples from two discrete spectra. In the case of equality, CS 5 marks equal spectral readings as components of the main peak, otherwise - the side lobe, which allows you to level its presence. The result of the US 5 are discrete spectra synthesized from components related only to the main peaks (useful signal).

Для осуществления работы схемы и получения результата необходимо осуществить зондирование в течение как минимум двух ТИ.To implement the operation of the circuit and obtain the result, it is necessary to probe for at least two TIs.

По окончании двух ТИ работа схемы повторяется. При этом на первый вход УС 5 подаются спектральные отсчеты, полученные в предыдущем ТИ.At the end of two TIs, the operation of the circuit is repeated. In this case, the spectral readings obtained in the previous TI are fed to the first input of DC 5.

На фиг.2 представлены временные диаграммы излучаемых, отраженных и сжатых сигналов для двух ТИ. На диаграммах 1 и 4 изображены сигналы A, В, излучаемые с периодом излучения Т_изл. На диаграммах 2 и 5 изображены отраженные сигналы A′, B′, задержанные на время величиной τ и поступающие на вход УОФ 1. На диаграммах 3 и 6 изображены сжатые сигналы на выходе УОФ 1.Figure 2 presents the time diagram of the emitted, reflected and compressed signals for two TI. In Figures 1 and 4 show the signals A, B, radiation emitted with period T _rad. Diagrams 2 and 5 show the reflected signals A ′, B ′, delayed for a time by a value of τ and fed to the input of the UVF 1. Diagrams 3 and 6 show the compressed signals at the output of the UVF 1.

На фиг.3-8 изображены графики дискретных амплитудных спектров |S(f)| по модулю, поясняющие принцип работы УС 5 при обработке основного пика и бокового лепестка. На фиг.3, 4 показано взаимное расположение спектральных отсчетов, относящихся к основному пику и боковому лепестку для первого ТИ, на фиг.5, 6 - для второго ТИ. На фиг.7, 8 показаны результаты сравнения для основного пика и бокового лепестка. Смещение спектральных отсчетов, относящихся к боковому лепестку, соответствует его сдвигу на частоту f, равную 0,5/Т_изл Гц.Figure 3-8 shows graphs of discrete amplitude spectra | S (f) | modulo, explaining the principle of operation of CSS 5 when processing the main peak and side lobe. Figure 3, 4 shows the relative position of the spectral readings related to the main peak and side lobe for the first TI, Figs. 5, 6 for the second TI. 7, 8 show the comparison results for the main peak and side lobe. The shift of the spectral readings related to the side lobe corresponds to its shift by a frequency f equal to 0.5 / T _rad Hz.

На графиках: f_d - частота доплеровской добавки;On the graphs: f _d is the frequency of the Doppler additive;

Т_изл - период излучения (зондирования).T _Izl - period of radiation (sounding).

Таким образом, использование дополнительных сигналов и их спектральной обработки в течение как минимум двух тактовых интервалов позволяет устранить влияние боковых лепестков на результат обработки. В радиолокационных системах это значительно повышает их разрешающую способность.Thus, the use of additional signals and their spectral processing for at least two clock intervals eliminates the influence of side lobes on the processing result. In radar systems, this greatly increases their resolution.

Промышленная применимость данного способа возможна, исходя из того, что все используемые операции (умножение, суммирование и ДПФ) практически реализуемы в цифровой технике, а также программным способом в вычислительной технике.The industrial applicability of this method is possible based on the fact that all the operations used (multiplication, summation and DFT) are practically feasible in digital technology, as well as in software in computer technology.

Claims

A method of push-pull spectral processing of additional signals, in which pulsed phase-domain-controlled (FCM) signals are emitted with a phase-shift code change from period to period of the sounding, the reflected signals are received and processed, while each of the sounding periods emits one of two matched to each other PCM of signals for which the amplitudes of the side lobes of the autocorrelation functions are equal in absolute value but have opposite signs, and the main peaks of the autocorrelation functions are when receiving the reflected signals, they are compressed separately for each sounding period to obtain samples of the compression results, characterized in that the radiation, reception and processing of the PCM signals is carried out in two clock intervals, in one of which the same signal is emitted in each sounding period PCM signal, and in another clock interval, two PCM signals are used, the radiation of which is produced alternately sequentially from period to period of sounding, after obtaining samples of the compression results in both clock intervals At the nerves for each received range element, an N-point discrete Fourier transform is performed to obtain spectral samples (discrete spectrum), discrete spectra obtained for each clock interval are compared, as a result of which components related to the main peaks (useful signal) are extracted.