8. ЗАДАЧА РАДИО- И ГИДРОЛОКАЦИИ

Во второй половине этой книги полученные ранее результаты теории обнаружения и теории оценок применяются к решению задач, встречающихся при анализе и синтезе современных радиолокационных и гидролокационных систем. Рассмотрение будет ограничено лишь теми аспектами указанной задачи, которые связаны с обработкой сигнала. Практическим и теоретическим вопросам проектирования таких систем в целом посвящен ряд книг, например, по радиолокации — [1-6] и гидролокации — [7-9].

В данной главе обсуждается качественная сторона этой задачи и в общих чертах излагается организация остальной части книги.

Модель активной радио- или гидролокационной системы показана на рис. 8.1. Излучается узкополосный сигнал, спектр которого симметричен относительно некоторой несущей частоты Если имеется цель, то излученный сигнал отражается от нее. Свойства отраженного сигнала зависят от характеристик цели, например, от ее формы и движения. Отраженный сигнал в ослабленном и, возможно, искаженном виде поступает на вход приемника. В простейшем случае единственным источником помех в рассматриваемой системе является аддитивный гауссов шум — внутренний шум приемника. В более общих случаях дополнительно присутствует помеха, обусловленная внешними источниками шумов или сигналами, отраженными от других целей. В задаче обнаружения приемник обрабатывает входное колебание для принятия решения о том, имеется или нет цель в заданной области пространства. В задаче оценки приемник обрабатывает это колебание для измерения некоторых характеристик цели, например, дальности и скорости.

Как было отмечено в гл. 1, при решении задачи обработки сигнала возникает несколько частных задач, в том числе:

1. Определение отражательных характеристик цели.

2. Учет влияния канала передачи на полезные сигналы.

3. Определение характеристик помех.

4. Построение оптимального и субоптимального приемников и вычисление их характеристик.

Эти вопросы подробно рассматриваются в гл. 9—13. Прежде чем приступить к детальному изложению, целесообразно в общих чертах описать классификацию моделей цели, которые предстоит обсудить.

Простейшей является модель, построенная исходя из предположения, что характеристики цели остаются неизменными в течение времени, пока она облучается излученным импульсом. Если далее предположить, что ее протяженность (изменяемая в секундах) пренебрежимо мала по сравнению с длительностью импульса, то ее можно считать точечным отражателем по отношению к огибающей импульса. Таким образом, влияние цели на огибающую сводится к ослаблению (затуханию) и задержке (запаздыванию) последней.

Рис. 8.1. Модель активной радио- или гидролокационной системы.

Несущее колебание приобретает случайный фазовый'сдвиг. В этом случае ослабление и фазовый сдвиг будут практически постоянны во время действия импульса и их можно моделировать как случайные величины. Такая цель называется медленно флуктуирующей точечной целью.

В гл. 9 рассматривается задача обнаружения медленно флуктуирующей точечной цели, находящейся на некотором расстоянии и имеющей некоторую скорость. Предполагается, что единственной помехой является аддитивный белый гауссов шум, и для этого случая производится синтез оптимального приемника и определение его помехоустойчивости. Затем исследуется случай небелого гауссова шума, синтезируется соответствующий оптимальный приемник и оценивается его помехоустойчивость. Чтобы получить полные решения для этого случая, используется теория комплексных переменных состояния. В заключение кратко обсуждается вопрос синтеза оптимального сигнала.

В гл. 10 излагается задача оценки параметров цели. Вначале рассматривается задача оценки дальности и скорости одиночной цели в случае, когда помехой является аддитивный белый гауссов шум. Для этого случая определяется структура оптимального приемника; отправным моментом процедуры синтеза приемника служит функция правдоподобия. Далее исследуется помехоустойчивость приемника и влияние характеристик сигнала на точность оценки. В рамках проведенного исследования показано, что характеристики

сигнала при анализе учитываются некоторой функцией, получившей наименование функции неопределенности; ввиду этого изложены различные свойства функции неопределенности и рассмотрен вопрос о том, как синтезировать сигналы с желательными функциями неопределенности. В заключение главы приведена задача обнаружения цели при наличии других, мешающих целей (так называемая задача дискретного разрешения).

Хотя материал, изложенный в гл. 9 и 10, посвящен рассмотрению простейшей модели цели, ознакомление с ним поможет читателю понять те аспекты большинства современных систем радио- и гидролокации, которые связаны с обработкой сигналов. Для самостоятельного изучения этих двух глав вполне достаточно знания материала гл. 4 первого тома.

В последующих трех главах исследуются более сложные модели целей. За исключением вопроса реверберации, изложенного в § 13.2, их самостоятельное изучение предполагает знакомство с материалом, рассмотренным в гл. 2—4. Работа над материалом гл. 11— 13 требует более высокого уровня теоретической подготовки и больших усилий, чем изучение гл. 10, но знание этого материала существенно для читателей, занимающихся исследованиями или разработками в области более сложных систем обработки сигналов.

В гл. 11 анализируется точечная цель, флуктуации которой происходят настолько быстро, что это проявляется даже на протяжении времени отражения излученного импульса. Такие флуктуации вызывают селективные во времени замирания принимаемого сигнала и ввиду этого необходимо моделировать его выборочной функцией случайного процесса.

В гл. 12 исследуется медленно флуктуирующая цель, распределенная (протяженная) по дальности. Показано, что цель этого типа вызывает частотно-селективные замирания и что в этом случае также приходится моделировать принимаемый сигнал выборочной функцией случайного процесса.

В гл. 13 рассматриваются флуктуирующие распределенные (про тяженные) цели. Такие модели полезны при исследовании реверберации в гидроакустических системах и отражений от местных предметов в радиолокационных системах. Они также пригодны при решении задач радиолокационной астрономии и связи с использованием рассеяния радиоволн. В первой части главы исследуются задачи синтеза сигналов и приемников для систем, работающих в условиях реверберации и отражений от местных предметов. Этим завершается рассмотрение задачи разрешения цели, начатое в гл. 10. Во второй части главы исследуются задачи обнаружения флуктуирующих распределенных целей и задачи передачи информации по флуктуирующим распределенным каналам. В заключение главы излагается задача оценки параметров флуктуирующей распределенной цели.

Глава 14 посвящена итогам и обзору основных результатов рассмотрения вопросов обработки сигналов в радио- и гидролокационных

системах. На всем протяжении изложения подчеркивается сходство между задачей радиолокации и задачей цифровой связи (передачи дискретной информации). В нескольких параграфах, помимо вопросов радио- и гидролокации, рассматриваются конкретные задачи цифровой связи.

При описании сигналов, систем и процессов в гл. 9—13 используется их представление посредством комплексных огибающих. В Приложении этот метод представления изложен подробно. Идея такой формы записи хорошо известна радио- и электроинженерам в контексте векторных диаграмм. Для многих читателей большинство результатов, относящихся к описанию сигналов, полосовых частотно-избирательных систем и стационарных процессов, быдет полезным лишь с точки зрения повторения и систематизации ранее изучавшегося материала. Материал, посвященный нестационарным процессам, собственным функциям и комплексным переменным состояния для некоторых читателей может оказаться новым, и ввиду этого в соответствующих частях Приложения по нему приводится большое количество примеров. Назначение Приложения в целом — дать эффективную систему записи для рассматриваемых в книге задач. Затраты времени на изложение и изучение этой системы записи оправдываются ввиду значительного упрощения выкладок, которое достигается в остальной части книги. Тем, кто не знаком с методом комплексной огибающей (методом комплексных амплитуд), рекомендуем прочитать Приложение, прежде чем приступать к изучению гл. 9.

Список литературы

(см. скан)