eng
Выпуск #7/2020
К. Лялин, Ю. Мелёшин, А. Переверзев, М. Хасанов
ПОВЫШЕНИЕ РАЗРЕШАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ РСА С ПРИМЕНЕНИЕМ АЛГОРИТМА МНОГОПОЛОСНОЙ ОБРАБОТКИ
ПОВЫШЕНИЕ РАЗРЕШАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ РСА С ПРИМЕНЕНИЕМ АЛГОРИТМА МНОГОПОЛОСНОЙ ОБРАБОТКИ
Просмотры: 4439
DOI: 10.22184/1992-4178.2020.198.7.108.111
Повышение разрешающей способности РСА с применением алгоритма многополосной обработки
К. Лялин, к. ф.‑ м. н., Ю. Мелёшин , А. Переверзев, д. т. н., М. Хасанов
В настоящее время нашли широкое применение радиолокаторы с синтезированной апертурой (РСА) с высокой разрешающей способностью. Показаны возможности и ограничения получения высокой разрешающей способности РСА Х‑диапазона частот при ограниченных аппаратных возможностях.
Одной из ключевых технических характеристик радиолокатора с синтезированной апертурой (РСА) является разрешающая способность по дальности, которая зависит от рабочей полосы частот системы [1]. Построение сверхширокополосных систем – сложная задача, так, к основным проблемам относят: сложность регулировки аналоговых трактов и антенн, реализация малой неравномерности амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) аналоговых трактов и антенн и высокую частоту дискретизации аналогово-цифрового преобразователя. Однако существует алгоритм многополосной обработки сигналов, позволяющий частично решить эти проблемы. Подробное описание алгоритма представлено в работах [2, 3].
В статье рассмотрены вопросы использования данного алгоритма многополосной обработки сигналов при проектировании малогабаритного РСА Х‑частотного диапазона с высокой разрешающей способностью для требований сельского хозяйства и промышленности. Также будут рассмотрены вопросы выбора количества используемых поддиапазонов частот и ограничений, связанных с параметрами полета носителя.
Применение алгоритма
Представленный алгоритм заключается в разбиение желаемой суммарной рабочей полосы частот на N полос меньшей ширины. Для разложения исходного широкополосного сигнала применяется быстрое преобразование Фурье (БПФ). Особенностью алгоритма является то, что получаемые в результате разложения сигналы поддиапазонов повторяют форму исходного сигнала, что позволяет применять данный алгоритм в системах с бинарной фазовой модуляцией, не усложняя устройства формирования модулирующих сигналов. Результат такого разложения для N = 15 представлен на рис. 1.
Однако, по представленному графику видно, что используемые поддиапазоны частот пересекаются по оси частот и крайние составляющие имеют значительно более низкую амплитуду, чем центральные. Эти факты ведут к снижению энергетической эффективности системы.
Если просуммировать полосы частот всех используемых сигналов поднесущих частот, суммарная полоса частот будет рассчитываться по формуле:
, (1)
где – рабочая полоса частот сигнала поднесущей частоты.
В данной конфигурации , следовательно,
. (2)
Так, при N = 15
. (3)
Улучшить энергетическую эффективность системы возможно за счет применения способа эффективного ограничения спектра, описанного в [4]. Конфигурация используемой рабочей полосы частот, разделенной на 15 полос после применения способа эффективного ограничения спектра, показана на рис. 2.
Как видно из представленного графика (по сравнению с рис. 1), данный случай обладает большей суммарной энергией составляющих, а также меньшим пересечением сигналов поддиапазонов. В таком случае суммарная используемая полоса частот поднесущих сигналов считается по формуле:
. (4)
Следовательно, при N = 15 и Кисх = 0,6 (коэффициент ограничения спектра) имеем:
. (5)
Можно сделать вывод, что применение способа эффективного ограничения спектра позволило улучшить энергетическую эффективность системы на 40%.
Оценка возможности
применения алгоритма
Вопросы расчета технических характеристик и построения РСА изучены досконально и не являются предметом данного исследования. Рассмотрим именно научные и технические основы проектирования РСА на основе алгоритма многополосной обработки. Не во всех случаях использование многополосного РСА оправданно, следовательно, необходимо рассмотреть ограничения применения таких систем.
Как известно [5], для классических РСА существует ограничение частоты повторения импульсов, определяемое выражением:
, (6)
где V – скорость движения носителя; Lp – размер антенны по направлению движения.
Соответственно, ограничение на период следования записывается как:
. (7)
В многополосной системе необходимо учесть количество используемых частотных поддиапазонов (N):
. (8)
Далее необходимо рассмотреть ограничение, связанное с временем распространения сигнала и временем перестройки центральной рабочей частоты между частотами поддиапазонов:
, (9)
где Rmax – максимальная наклонная дальность системы; τ – время перестройки рабочей частоты системы (как правило, определяется временем перестройки используемого синтезатора частоты); c – скорость света.
Существуют общеизвестные способы [6–9] смягчения требования, описанного выражением (9). Однако в настоящей работе уделяется особое внимание проектированию малогабаритных и дешевых РСА для промышленности и сельского хозяйства, где применение этих способов нецелесообразно.
Таким образом, используя выражения (7) и (8), можно составить основное выражение, которое позволит оценить возможность и целесообразность применения многополосного РСА для конкретного типа носителя при различном количестве используемых частотных поддиапазонов:
. (10)
Данное выражение является инструментом оценки и было использовано при дальнейшем проектировании РСА.
Разработка малогабаритного
РСА Х‑диапазона для промышленности
В рамках выполнения работы «Исследование и разработка радиолокационных средств оперативного контроля состояния поверхности Земли с беспилотных летательных аппаратов» стояла задача проектирования малогабаритной многофункциональной РСА со следующими основными техническими параметрами:
Исходя из представленных требований, можно установить зависимость высоты и скорости полета от количества используемых поддиапазонов. Время перестройки центральной частоты τ для первоначальных расчетов примем равным 50 мкс, в соответствии с верхней границей перестройки предлагаемого к использованию синтезатора частоты [10].
Максимальная наклонная дальность Rmax определяется высотой полета, углом наклона антенны θант и шириной диаграммы направленности (ДН) системы в угломестной плоскости (θ–3 дБ):
. (11)
Как правило, угол наклона антенны в таких системах равен примерно 45°, а ширина ДН в угломестной плоскости примерно 30–60°. Для первичной оценки возьмем крайнее значение диапазона. Таким образом, используя выражения (10) и (11), получаем следующее выражение:
. (12)
Зависимость максимальной скорости полета от высоты полета носителя при разных значениях N представлена на рис. 3.
Малогабаритные РСА для применения в промышленности предполагается использовать на относительно небольших высотах (до 3 км) и носителях со скоростями до 100 м / с.
Следовательно, из представленных данных можно сделать вывод о допустимости использования нескольких десятков поднесущих частот. Это позволит строить систему с существенно меньшей мгновенной полосой обработки и формирования сигналов (по отношению к суммарной), что в значительной мере упрощает систему.
Разработка структурной схемы многополосной РСА
На основании представленных ранее данных разработана структурная схема РСА. С учетом выбранной элементной базы структурная схема имеет вид, представленный на рис. 4.
Данная схема позволяет реализовать суммарную рабочую полосу частот 9–11,5 ГГц, что соответствует ширине полосы частот 2,5 ГГц и свидетельствует об успешном выполнении поставленных требований. Таким образом, при N = 15 применение алгоритма многополосной обработки позволило снизить мгновенную полосу работы системы с 2,5 до 0,32 ГГц. Что позволило реализовать суммарную рабочую полосу частот РСА более 2 ГГц и соответствующую ей разрешающую способность по дальности не более 10 см.
* * *
Применение алгоритма многополосной обработки сигналов в РСА позволяет существенно улучшить разрешающую способность по дальности при сохранении небольшой мгновенной полосы формирования и обработки сигналов, что открывает широкие перспективы по развитию малогабаритных РСА с низкой себестоимостью. Представлен процесс разработки РСА Х‑диапазона частот (с разрешающей способностью не более 10 см) с точки зрения анализа и выбора режима работы, конфигурации использования рабочих частот и соответствующих им модулирующих сигналов. Показаны ограничения, связывающие полетные характеристики носителя РСА и временные задержки, возникающие в системе.
В дальнейшем планируется продолжить исследования вопросов аппаратной реализации алгоритма многополосной обработки сигналов в РСА Х‑диапазона частот, а также проведение экспериментальной отработки полученных результатов.
Список литературы:
Quegan S., Oliver C. Understanding Synthetic Aperture Images. Norwood: Artech House. 1998.
Мелешин Ю. М., Лялин К. С., Хасанов М. С., Орешкин В. И. Способ формирования и обработки сигналов в многодиапазонных и многополосных радиолокационных системах. Патент на изобретение RU2 684 896 C1. Апр 16. 2019.
Мелешин Ю. М., Лялин К. С., Орешкин В. И., Хасанов М. С., Довгаль Т. А. Метод улучшения разрешающей способности // Известия высших учебных заведений. Электроника. 2018. Изд. 23. № 4, С. 371–378.
Meleshin Y. M., Khasanov M. S., Oreshkin V. I., Tsvetkov V. K., Chistukhin V. V. Spectral distortions of a phase-shift keying signal // 2017 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (EIConRus). 2017.
Сколник М. И. Справочник по радиолокации. В 2-х кн. Т. 1–2. – М.: ТЕХНОСФЕРА, 2015.
Мелешин Ю. М., Лялин К. С., Хасанов М. С., Кузьмин И. А. Спектральный метод подавления боковых лепестков // ТРУДЫ МАИ. 2018. № 103. С. 23.
Костров В. В., Сидоров А. А. Обработка траекторного сигнала РСА в условиях скошенного режима и миграции по дальности // IV Всероссийские армандовские чтения. – Муром, 2014. 2014. С. 236–242.
Meleshin Y. M., Khasanov M. S., Merkulova Z. V., Dovgal T. A. Kurganov V. V. Approach To Optimization Of Radar Image Synthesis From Hologram With Redundant Pulse Frequency Rate // Proceedings Of The 2018 IEEE Conference Of Russian Young Researchers In Electrical And Electronic Engineering. 2018. P. 1681–1684.
Тарасенко А. М. Формирование сигналов с различными видами модуляции радиотехнических средств на несущих частотах // Материалы VIII Всероссийских Армандовских чтений Всероссийской научной конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования, радиолокации, распространения и дифракции волн». – Муром: МИ ВлГУ, 2018. ISSN2304-0297 (CD-ROM). С. 538–546.
http://www.ti.com/[Электронный ресурс]
URL: http://www.ti.com/
К. Лялин, к. ф.‑ м. н., Ю. Мелёшин , А. Переверзев, д. т. н., М. Хасанов
В настоящее время нашли широкое применение радиолокаторы с синтезированной апертурой (РСА) с высокой разрешающей способностью. Показаны возможности и ограничения получения высокой разрешающей способности РСА Х‑диапазона частот при ограниченных аппаратных возможностях.
Одной из ключевых технических характеристик радиолокатора с синтезированной апертурой (РСА) является разрешающая способность по дальности, которая зависит от рабочей полосы частот системы [1]. Построение сверхширокополосных систем – сложная задача, так, к основным проблемам относят: сложность регулировки аналоговых трактов и антенн, реализация малой неравномерности амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) аналоговых трактов и антенн и высокую частоту дискретизации аналогово-цифрового преобразователя. Однако существует алгоритм многополосной обработки сигналов, позволяющий частично решить эти проблемы. Подробное описание алгоритма представлено в работах [2, 3].
В статье рассмотрены вопросы использования данного алгоритма многополосной обработки сигналов при проектировании малогабаритного РСА Х‑частотного диапазона с высокой разрешающей способностью для требований сельского хозяйства и промышленности. Также будут рассмотрены вопросы выбора количества используемых поддиапазонов частот и ограничений, связанных с параметрами полета носителя.
Применение алгоритма
Представленный алгоритм заключается в разбиение желаемой суммарной рабочей полосы частот на N полос меньшей ширины. Для разложения исходного широкополосного сигнала применяется быстрое преобразование Фурье (БПФ). Особенностью алгоритма является то, что получаемые в результате разложения сигналы поддиапазонов повторяют форму исходного сигнала, что позволяет применять данный алгоритм в системах с бинарной фазовой модуляцией, не усложняя устройства формирования модулирующих сигналов. Результат такого разложения для N = 15 представлен на рис. 1.
Однако, по представленному графику видно, что используемые поддиапазоны частот пересекаются по оси частот и крайние составляющие имеют значительно более низкую амплитуду, чем центральные. Эти факты ведут к снижению энергетической эффективности системы.
Если просуммировать полосы частот всех используемых сигналов поднесущих частот, суммарная полоса частот будет рассчитываться по формуле:
, (1)
где – рабочая полоса частот сигнала поднесущей частоты.
В данной конфигурации , следовательно,
. (2)
Так, при N = 15
. (3)
Улучшить энергетическую эффективность системы возможно за счет применения способа эффективного ограничения спектра, описанного в [4]. Конфигурация используемой рабочей полосы частот, разделенной на 15 полос после применения способа эффективного ограничения спектра, показана на рис. 2.
Как видно из представленного графика (по сравнению с рис. 1), данный случай обладает большей суммарной энергией составляющих, а также меньшим пересечением сигналов поддиапазонов. В таком случае суммарная используемая полоса частот поднесущих сигналов считается по формуле:
. (4)
Следовательно, при N = 15 и Кисх = 0,6 (коэффициент ограничения спектра) имеем:
. (5)
Можно сделать вывод, что применение способа эффективного ограничения спектра позволило улучшить энергетическую эффективность системы на 40%.
Оценка возможности
применения алгоритма
Вопросы расчета технических характеристик и построения РСА изучены досконально и не являются предметом данного исследования. Рассмотрим именно научные и технические основы проектирования РСА на основе алгоритма многополосной обработки. Не во всех случаях использование многополосного РСА оправданно, следовательно, необходимо рассмотреть ограничения применения таких систем.
Как известно [5], для классических РСА существует ограничение частоты повторения импульсов, определяемое выражением:
, (6)
где V – скорость движения носителя; Lp – размер антенны по направлению движения.
Соответственно, ограничение на период следования записывается как:
. (7)
В многополосной системе необходимо учесть количество используемых частотных поддиапазонов (N):
. (8)
Далее необходимо рассмотреть ограничение, связанное с временем распространения сигнала и временем перестройки центральной рабочей частоты между частотами поддиапазонов:
, (9)
где Rmax – максимальная наклонная дальность системы; τ – время перестройки рабочей частоты системы (как правило, определяется временем перестройки используемого синтезатора частоты); c – скорость света.
Существуют общеизвестные способы [6–9] смягчения требования, описанного выражением (9). Однако в настоящей работе уделяется особое внимание проектированию малогабаритных и дешевых РСА для промышленности и сельского хозяйства, где применение этих способов нецелесообразно.
Таким образом, используя выражения (7) и (8), можно составить основное выражение, которое позволит оценить возможность и целесообразность применения многополосного РСА для конкретного типа носителя при различном количестве используемых частотных поддиапазонов:
. (10)
Данное выражение является инструментом оценки и было использовано при дальнейшем проектировании РСА.
Разработка малогабаритного
РСА Х‑диапазона для промышленности
В рамках выполнения работы «Исследование и разработка радиолокационных средств оперативного контроля состояния поверхности Земли с беспилотных летательных аппаратов» стояла задача проектирования малогабаритной многофункциональной РСА со следующими основными техническими параметрами:
- X‑диапазон частот;
- суммарная ширина полосы частот – не менее 2 ГГц.
Исходя из представленных требований, можно установить зависимость высоты и скорости полета от количества используемых поддиапазонов. Время перестройки центральной частоты τ для первоначальных расчетов примем равным 50 мкс, в соответствии с верхней границей перестройки предлагаемого к использованию синтезатора частоты [10].
Максимальная наклонная дальность Rmax определяется высотой полета, углом наклона антенны θант и шириной диаграммы направленности (ДН) системы в угломестной плоскости (θ–3 дБ):
. (11)
Как правило, угол наклона антенны в таких системах равен примерно 45°, а ширина ДН в угломестной плоскости примерно 30–60°. Для первичной оценки возьмем крайнее значение диапазона. Таким образом, используя выражения (10) и (11), получаем следующее выражение:
. (12)
Зависимость максимальной скорости полета от высоты полета носителя при разных значениях N представлена на рис. 3.
Малогабаритные РСА для применения в промышленности предполагается использовать на относительно небольших высотах (до 3 км) и носителях со скоростями до 100 м / с.
Следовательно, из представленных данных можно сделать вывод о допустимости использования нескольких десятков поднесущих частот. Это позволит строить систему с существенно меньшей мгновенной полосой обработки и формирования сигналов (по отношению к суммарной), что в значительной мере упрощает систему.
Разработка структурной схемы многополосной РСА
На основании представленных ранее данных разработана структурная схема РСА. С учетом выбранной элементной базы структурная схема имеет вид, представленный на рис. 4.
Данная схема позволяет реализовать суммарную рабочую полосу частот 9–11,5 ГГц, что соответствует ширине полосы частот 2,5 ГГц и свидетельствует об успешном выполнении поставленных требований. Таким образом, при N = 15 применение алгоритма многополосной обработки позволило снизить мгновенную полосу работы системы с 2,5 до 0,32 ГГц. Что позволило реализовать суммарную рабочую полосу частот РСА более 2 ГГц и соответствующую ей разрешающую способность по дальности не более 10 см.
* * *
Применение алгоритма многополосной обработки сигналов в РСА позволяет существенно улучшить разрешающую способность по дальности при сохранении небольшой мгновенной полосы формирования и обработки сигналов, что открывает широкие перспективы по развитию малогабаритных РСА с низкой себестоимостью. Представлен процесс разработки РСА Х‑диапазона частот (с разрешающей способностью не более 10 см) с точки зрения анализа и выбора режима работы, конфигурации использования рабочих частот и соответствующих им модулирующих сигналов. Показаны ограничения, связывающие полетные характеристики носителя РСА и временные задержки, возникающие в системе.
В дальнейшем планируется продолжить исследования вопросов аппаратной реализации алгоритма многополосной обработки сигналов в РСА Х‑диапазона частот, а также проведение экспериментальной отработки полученных результатов.
Список литературы:
Quegan S., Oliver C. Understanding Synthetic Aperture Images. Norwood: Artech House. 1998.
Мелешин Ю. М., Лялин К. С., Хасанов М. С., Орешкин В. И. Способ формирования и обработки сигналов в многодиапазонных и многополосных радиолокационных системах. Патент на изобретение RU2 684 896 C1. Апр 16. 2019.
Мелешин Ю. М., Лялин К. С., Орешкин В. И., Хасанов М. С., Довгаль Т. А. Метод улучшения разрешающей способности // Известия высших учебных заведений. Электроника. 2018. Изд. 23. № 4, С. 371–378.
Meleshin Y. M., Khasanov M. S., Oreshkin V. I., Tsvetkov V. K., Chistukhin V. V. Spectral distortions of a phase-shift keying signal // 2017 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (EIConRus). 2017.
Сколник М. И. Справочник по радиолокации. В 2-х кн. Т. 1–2. – М.: ТЕХНОСФЕРА, 2015.
Мелешин Ю. М., Лялин К. С., Хасанов М. С., Кузьмин И. А. Спектральный метод подавления боковых лепестков // ТРУДЫ МАИ. 2018. № 103. С. 23.
Костров В. В., Сидоров А. А. Обработка траекторного сигнала РСА в условиях скошенного режима и миграции по дальности // IV Всероссийские армандовские чтения. – Муром, 2014. 2014. С. 236–242.
Meleshin Y. M., Khasanov M. S., Merkulova Z. V., Dovgal T. A. Kurganov V. V. Approach To Optimization Of Radar Image Synthesis From Hologram With Redundant Pulse Frequency Rate // Proceedings Of The 2018 IEEE Conference Of Russian Young Researchers In Electrical And Electronic Engineering. 2018. P. 1681–1684.
Тарасенко А. М. Формирование сигналов с различными видами модуляции радиотехнических средств на несущих частотах // Материалы VIII Всероссийских Армандовских чтений Всероссийской научной конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования, радиолокации, распространения и дифракции волн». – Муром: МИ ВлГУ, 2018. ISSN2304-0297 (CD-ROM). С. 538–546.
http://www.ti.com/[Электронный ресурс]
URL: http://www.ti.com/
Отзывы читателей
