6.3.4. Реализация корреляционных приемников и согласованных фильтров

Использование корреляционных приемников и согласованных фильтров превратилось в важную проблему с тех пор, как была выявлена роль, которую играет обработка сигналов в гидролокации. Необходимо, однако, учитывать, что согласованный фильтр является оптимальным приемником только при выполнении некоторых условий, и в частности, если интерферирующий шум во всей интересующей нас полосе частот является практически белым. Тем не менее, когда с помощью такого фильтра выполняется также и обработка с учетом влияния среды, как было описано в разд. 6.3.2, он становится важной составной частью многих практически оптимальных гидролокационных приемников.

Проще всего корреляционный приемник для монохроматических импульсов можно построить на основе полосового фильтра, центральная частота и постоянная затухания которого согласованы с частотой и длительностью сигнала. После того, как были выявлены преимущества сигналов с большими базами (к ним относятся, например, псевдослучайные последовательности и частотно-модулированные сигналы), была проделана большая работа по созданию приемников, которые позволили бы использовать эти преимущества. Сначала были созданы приемники для обработки во временной области ввиду того, что выполнение преобразования Фурье над сигналами с большими базами в реальном времени считалось невыгодным.

В одной из первых и наиболее распространенной системе использован принцип временного сжатия на линии задержки [58, 59]. Для тех полос, которые имеют сигналы типовых активных гидролокаторов, выполнение свертки с использованием линий задержки (Л3) с отводами может быть реализовано полностью цифровыми средствами. Линии задержки с рециркуляцией используются для сжатия узкополосных акустических сигналов большой продолжительности и превращения их в кратковременные широкополосные сигналы. Блок-схема описываемой системы приведена на рис. 6.18, а. Общее время задержки ЛЗ равно секунд; время задержки между соседними отводами составляет секунд. Период дискретизации входного сигнала равен секунд. Полученный очередной отсчет сигнала сдвигается вдоль всей ЛЗ и затем рециркулирует таким образом, что оказывается на выходе второго отвода ЛЗ к тому времени, когда будет взят следующий отсчет. После этого процесс повторяется, и в конце концов на отводах ЛЗ будут находиться последние отсчетов сигнала. С приходом каждого нового отсчета данные в ЛЗ сдвигаются за счет перезаписи содержимого первого каскада ЛЗ.

Систему с временным сжатием на ЛЗ можно использовать для выполнения операции корреляции. Для этого нужно объединить две такие системы и добавить умножители и шину суммирования, как показано на фиг. 6.18, б. Обе рециркулирующие ЛЗ, верхняя и нижняя, содержат коррелируемые массивы, а операция корреляции выполняется с помощью схемы умножение — суммирование. Если один из сигналов эталонный, как это обычно имеет место в активных гидролокационных системах, то одна из ЛЗ модифицируется таким образом, что этот сигнал непрерывно рециркулирует после подачи его на ЛЗ. При таком подходе схема умножение—суммирование представляет собой дискретный вариант согласованного фильтра.

В принципе описанную систему можно было бы реализовать полностью в аналоговой форме. Однако очень быстро выяснилось, что системы с жестким ограничением сигналов имеют ряд преимуществ, так что фактически функция корреляции ищется по

Рис. 6.18. (см. скан) а — блок-схема системы с временным сжатием на ЛЗ; б - вычисление коэффициентов взаимной корреляции в системе с временным сжатием на ЛЗ.

совокупности знаков сигналов. Характеристики такого коррелятора зависят от свойств окружающей среды, но в большинстве случаев преимущества использования коррелятора оказались намного более существенными. При цифровой реализации коррелятора не нужно вводить схем формирования, устраняющих искажения в процессе рециркуляции, а схема умножение — суммирование значительно упрощается; на этапе совершенствования систем эти факторы сыграли важную роль. Преимуществом использования жесткого ограничения является также то, что. система становится нечувствительной к величине динамического диапазона сигнала, который, как станет ясно ниже, является важным фактором при практической реализации устройств обработки сигналов в гидролокаторах.

Во многих работах рассматривался вопрос о степени ухудшения характеристик систем за счет жесткого ограничения и делались попытки определить, сколько уровней квантования нужно иметь в действительности [60—62]. В большинстве из них установлено, что если система работает в присутствии белого фонового шума и отношение сигнал/шум превышает порог, то уровень потерь по отношению к идеальной линейной системе составляет 2 дБ. Рассматривались и другие частные случаи; так, оказалось, что при работе в присутствии узкополосной мешающей помехи уровень потерь составляет 72 дБ на каждый децибел отношения сигнал/интерферирующая помеха. Получены и другие результаты, однако пользоваться ими следует с большой осторожностью. Исследование эффектов квантования при числе уровней, превышающем 2, показало, что в большинстве случаев можно ограничиться 4-разрядным квантованием достаточным для полного представления динамического диапазона.

Естественно, что после появления недорогих быстродействующих цифровых микросхем отношение к системам обработки с временным сжатием на ЛЗ изменилось. В настоящее время такие структуры на ЛЗ с отводами рассматриваются как фильтры с конечной импульсной характеристикой (КИХ-фильтры). Для того чтобы можно было обрабатывать отсчеты сигнала с числом разрядов, обеспечивающим любую заданную и реализуемую на практике точность, используются многоразрядные сдвиговые регистры, а для обеспечения динамического диапазона применяются схема адаптивного усиления и представление чисел в формате с плавающей запятой. На рис. 6.19 изображена блок-схема корреляционного приемника, основанная на новом подходе.

Появление алгоритма быстрого преобразования Фурье (БПФ) оказалось для гидролокации таким же мощным стимулирующим толчком, как и для многих других областей техники. Наиболее ярко преимущества активных гидролокационных систем выявляются при использовании сигналов с большими базами, т. е. именно тогда, когда применение алгоритма БПФ позволяет существенно сократить объем вычислений. Обычно граничный размер массива, начиная с которого оказывается более эффективной (с точки зрения количества операций) обработка в частотной области, равен 32, т. е. величине, заведомо меньшей базы сигналов в системах, разрабатываемых в настоящее время. Подробно вопросы аппаратурной реализации алгоритма БПФ были описаны в гл. 5.

Первичная обработка гидролокационных сигналов, обязательная при определении дальности и доплеровского смещения цели, была значительно усовершенствована за счет использования операций высокочастотной свертки, выполняемых на существующей элементной базе. В процессе поиска эхо-сигналов на дальностно-доплеровской плоскости операция корреляции должна выполняться для каждого элемента разрешения и по всем интересующим нас

Рис. 6.19. (см. скан) Пример цифровой реализации согласованной фильтрации на современной элементной базе (взято из [62]).

направлениям. Проще всего для решения этой задачи использовать набор из весьма большого числа корреляторов. На рис. 6.20 представлены два варианта схемы, обеспечивающей поиск цели на дальностно-доплеровской плоскости. В одной из них используется набор доплеровских преобразователей частоты (или устройство временного сжатия, если система широкополосная), за которыми следуют корреляторы (или согласованные фильтры). Для реализации корреляторов может быть применен алгоритм БПФ, но конечный результат обязательно должен быть получен во временной области, так как искомой величиной является оценка дальности до цели. В ряде случаев, используя некоторые свойства зондирующего сигнала, можно исключить набор доплеровских преобразователей; так, при работе с ЛЧМ-импульсами и при условии, что цель относится к числу узкополосных отражателей, за счет нескомпенсированного доплеровского смещения будет наблюдаться сдвиг цели по дальности. Вторая схема связана с первой, так как с помощью теоремы Парсеваля операция двухчастотной корреляции, выполняемая в процессе первичной обработки, переводится в частотную область. В этой схеме применяется алгоритм БПФ, используется набор фазосдвигателей с линейным изменением фазы, с помощью которых учитывается временная задержка на время распространения акустического сигнала, и выполняется операция корреляции, причем для ее реализации также может быть использован алгоритм БПФ (с соответствующим переходом во временную область). Выходной сигнал является функцией от доплеровского смещения

Рис. 6.20. (см. скан) Реализация операции корреляции при первичной обработке во временной (а) и частотной (б) областях.

для каждой дальностной задержки. Любая из этих схем дальностно-доплеровской измерительной системы, работающей в режиме поиска, может быть эффективнее другой в зависимости от числа разрешаемых элементов вдоль обеих координат, т. е. соотношения между размерами элемента разрешения и областью неопределенности, в пределах которой должен быть произведен поиск.

В большинстве дальностно-доплеровских измерительных устройств вслед за операцией поиска сигнала должна выполняться

операция нахождения положения максимума функции корреляции; на этом этапе используется априорная информация как о положении цели, так и об особенностях окружающей среды.

Еще один вопрос, существенным образом влияющий на структуру устройства первичной обработки, заключается в том, выполняется ли обработка сигнала на центральной частоте гидролокатора или же его квадратурных компонент в основной полосе частот после демодуляции. При цифровой реализации использование демодулированных сигналов обладает рядом преимуществ ввиду того, что требуемая частота дискретизации понижается. При выполнении первичной обработки на несущей частоте необходимо, чтобы частота дискретизации была в четыре раза больше центральной частоты, в результате чего массивы данных оказываются слишком большими. Для сравнения отметим, что при демодуляции сигнала в основную полосу в полосе сигнала дискретизуются обе квадратурные компоненты, так что объем памяти для хранения массивов данных уменьшается в раз. С точки зрения алгоритма формирования диаграммы направленности антенной решетки требуется, чтобы даже при работе в основной полосе с использованием квадратурной демодуляции частота дискретизации превышала частоту Найквиста в 4—5 раз.

Отметим несколько задач, которые приходится решать при выполнении первичной обработки сигналов активных гидролокаторов. К двум наиболее важным из них относятся сокращение динамического диапазона и компенсация доплеровского смещения, обусловленного движением судна. Для сокращения динамического диапазона используются схемы автоматической регулировки усиления (АРУ) того или иного вида, схемы с изменяющимся во времени усилением либо логарифмические усилители. Это особенно важно для аналоговых систем обработки, а также для систем, использующих представление чисел с фиксированной запятой; динамический диапазон таких систем меньше диапазона, необходимого для представления эхо-сигналов гидролокаторов. После того как системы цифровой обработки с плавающей запятой получат широкое распространение, проблема динамического диапазона станет менее актуальной, хотя с ней по-прежнему придется считаться ввиду того, что нужно выравнивать уровни сигналов элементов антенной решетки, а также в связи с необходимостью предварительного уменьшения разрядности выходных данных перед выдачей их на большинство существующих устройств отображения. Компенсация доплеровского смещения состоит просто в выполнении операции преобразования частоты, которое проводится, как правило, на рабочей, т. е. центральной, частоте сигнала, но может также осуществляться и в цифровой форме над отсчетами сигнала, дискретизованного в основной полосе.