Пред.
След.
Макеты страниц
Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике ДЛЯ СТУДЕНТОВ И ШКОЛЬНИКОВ ЕСТЬ
ZADANIA.TO
13.2. Обнаружение при наличии реверберации или отражений от местных предметовВ этом параграфе мы рассмотрим задачу обнаружения эхо-сигнала от медленно флуктуирующей точечной цели при наличии распределенной помехи. Эта задача является дальнейшим развитием задачи различения дискретных целей, изложенной в § 10.5. Задачи такого типа часто встречаются в области активной гидролокации. Комплексная огибающая зондирующего сигнала равна
Рис. 13.8. Представление локационной обстановки в плоскости Возможная локационная обстановка изображена на рис. 13.8. Эхо-сигналы от распределенных отражающих (рассеивающих) мешающих объектов в гидроколокации называют реверберацией, а в радиолокации — мешающими отражениями от местных предметов. Эти отражения можно моделировать как пространственный пуассоновский случайный процесс. В работе [1] эта модель разработана подробно (см. также [2 и 3]). Если число отражателей велико, то пригодна модель в виде комплексного гауссова случайного процесса, описанная в § 13.1. По моделям реверберации выполнено много исследований (например, [8 — 18]). Во многих ситуациях пространственный пуассоновский процесс является адекватной моделью обстановки. Обозначив комплексную огибающую реверберационоого эхо-сигнала через
Это комплексный гауссов процесс с нулевым средним значением и ковариационной функцией 00
(Выражения (69) и (70) просто воспроизводят соответственно (2) и (5).) Иначе (70) можно записать в виде
Здесь функция
Но это не что иное, как задача обнаружения сигнала на фоне небелого шума, с которой мы встречались в § 9.2. Новым фактором здесь является зависимость ковариационной функции небелого шума от зондирующего сигнала. Отметим, что эта задача представляет просто непрерывный вариант задачи разрешения дискретных целей, рассмотренной в § 10.5. Точно так же, как и в том случае, можно говорить о приемниках двух типов: 1. Обычный приемник, который синтезируется в предположении, что присутствует только белый шум. 2. Оптимальный приемник, синтез которого основывается на предположении, что статистическая картина реверберации известна. В п. 13.2.1 рассмотрим помехоустойчивость обычного приемника. В этом случае стремятся ослаблить влияние реверберации путем соответствующего построения сигнала и приемника. 13.2.1. Обычный приемникРассмотрим задачу обнаружения цели, имеющей некоторые известные значения запаздывания
Испытание заключается в сравнении
При наличии реверберации такой приемник будет неоптимальным. Тем не менее он часто используется в силу следующих причин: 1. Он проще в реализации, чем оптимальный приемник. 2. Функция рассеяния может быть неизвестной, и тогда оптимальный приемник невозможно построить. 3. Во многих ситуациях, как будет показано далее, по помехоустойчивости такой приемник почти не уступает оптимальному. Оценка влияния реверберации на помехоустойчивость обычного приемника не вызывает принципиальных затруднений. Величина I на выходе приемника по-прежнему представляется комплексной гауссовой случайной величиной, так что величина А, определяемая в соответствии с (9.49), служит здесь исчерпывающей мерой помехоустойчивости. Величина А согласно (9.49) определяется как
Как и в § 10.5, используемый здесь подстрочный индекс
Но
С учетом (77) после перегруппировки членов из (76) получим
Произведение величин, заключенных в двух парах квадратных скобок, есть не что иное, как функция неопределенности сигнала
Таким образом, влияние реверберации оценивается сверткой реверберационной функции рассеяния с функцией неопределенности сигнала
Итак,
Второе слагаемое в знаменателе (81) определяет ухудшение помехоустойчивости под влиянием реверберации. Пусть
Используя свойство 4 (формула (10.116)), величину
Отсюда видно, что Формула (83) имеет простую графическую интерпретацию, представленную на рис. 13.9. Предполагается, что зондирующий сигнал является гауссовым импульсом с линейной частотной модуляцией (см. пример 4 на с. 321):
Контуры постоянного уровня функции неопределенности такого сигнала показаны на рис. 13.9, а. Контуры постоянного уровня реверберационной функции рассеяния представлйы на рис. 13.9, б. Для определения Рис. 13.9. (см. скан) Графическая интерпретация интеграла Величина 1. Положить 2. Сделать Отметим, что величину
Формулы (83) и (85) справедливы для произвольной функции рассеяния. Представляет интерес частный случай, когда функция рассеяния практически бесконечна по длине и имеет равномерный постоянный допплеровский профиль.
Рис. 13.10. Геометрическое построение, иллюстрирующее инвариантное приближение к функции рассеяния. Инвариантные по дальности функции рассеяния. Когда функция рассеяния имеет постоянный допплеровский профиль и простирается за пределы дальности до возможной цели на расстояние, большее, чем
Заметим, что обе части (86) имеют размерность
есть средняя энергия принимаемого сигнала на метр реверберационного поля. Величину Если реверберационное поле бесконечно по протяженности, то реверберационный эхо-сигнал представляет выборочную функцию стационарного процесса. Подставляя (86) в (71), получаем
Указанный интеграл можно записать в форме
где
Подставляя (89) в (88) и преобразуя обе части, получаем
Таким образом, спектр реверберационнога эхо-сигнала вычисляется с помощью операции свертки допплеровского спектра со спектром импульса. Для количественной оценки ухудшения помехоустойчивости приемника для стационарного входного процесса используем формулы (76) и (82). В результате получаем
Формулы (91) и (92) определяют степень ухудшения помехоустойчивости в рассматриваемом частном случае. Проиллюстрируем применение формулы (92) простым примером. Пример. Предположим, что допплеровский профиль является гауссовым, так что
где
Тогда
где
есть среднеквадратическая (эффективная) ширина спектра сигнала В результате свертки (93) и (96) получим
где
Из (92) с учетом (95) и (97) имеем
После интегрирования и перегруппировки членов получим
Из (996) видно, что степень ухудшения помехоустойчивости зависит от трех величин: 1. 2. 3. Формулу, характеризующую помехоустойчивость обычного приемника в данном случае, получим после подстановки (996) в (81):
Зависимости
(кликните для просмотра скана)
Рис. 13.11. Помехоустойчивость обычного приемника при наличии реверберации. В отношении сигналов рассмотренного класса можно сделать два замечания: 1. В случае нулевой скорости цели при расширении спектра сигнала наблюдается монотонное улучшение помехоустойчивости. 2. В случае ненулевой скорости цели можно использовать сигналы либо с очень узким, либо с очень широким спектром. Логический смысл этих выводов легко уясняется из диаграмм, изображенных на рис. 13.12 и 13.13. Рисунок 13.12 соответствует цели с нулевой скоростью; при расширении спектра сигнала (либо путем уменьшения длительности импульса Этот пример показывает важность согласования сигнала с той локационной обстановкой, в которой предполагается выполнение задачи. В данном конкретном случае было бы желательно иметь возможность работать с сигналами двух типов: импульсом большой
Рис. 13.12. Цель с нулевой скоростью в условиях реверберации.
Рис. 13.13. Цель с ненулевой скоростью в условиях реверберации. длительности без ЧМ, который легко генерируется и очень эффективен в случае движущихсяцелей, и импульсом По поводу влияния реверберации на помехоустойчивость систем необходимо сделать несколько замечаний, которые применимы как к случаю, когда функция рассеяния инвариантна по дальности, так и к общей задаче, когда 1. Вычисление помехоустойчивости приемника никогда не встречает принципиальных затруднений. В худшем случае необходимо вычислять (83), (85) или (92) численными методами. 2. Решение задачи синтеза оптимального сигнала, минимизирующего а) Выбрать определенный класс сигналов, например кодированную импульсную последовательность вида (10.145). Максимизировать их помехоустойчивость путем соответствующего изменения их параметров. б) Рассмотреть не одну конкретную функцию рассеяния, а целый ряд допустимых функций рассеяния. Задача синтеза сигналов на различных уровнях сложности рассмотрена в ряде работ (например, [21—28]). 3. Характер функции неопределенности у последовательности импульсов с комплексными весовыми коэффициентами делает сигнал этой формы очень эффективным для подавления реверберации. Поскольку к тому же его просто генерировать и обнаруживать, он используется во многих системах. На этом мы заканчиваем рассмотрение помехоустойчивости обычного приемника и переходим к задаче оптимального приемника. 13.2.2. Оптимальные приемникиИнтересующая нас задача была сформулирована в виде соотношений (72), но для удобства мы сформулируем ее и здесь. Комплексные огибающие принимаемых колебаний в соответствии с двумя гипотезами имеют вид
где
Реверберационный эхо-сигнал представляется выборочной функцией комплексного гауссова случайного процесса, ковариационная функция которого определяется выражением (70) как
Необходимо найти алгоритм оптимального приемника для обнаружения сигнала В соответствии с (9.69) оптимальный приемник должен вычислять
где функция
и сравнивать
В общем случае, при произвольной функции Случай 1. Если функции Случай 2. Если функцию рассеяния канала можно описать при помощи распределенной модели, описываемой дифференциальным уравнением, которая была рассмотрена в Случай 3. Если функция рассеяния имеет большую протяженность по оси X (как показано на рис. 13.10) и имеет постоянный допплеровский профиль, то Обычный неоптимальный приемник для этого случая был рассмотрен на с. 500. На с. 510 мы рассмотрим оптимальный приемник и сравним помехоустойчивость обеих систем. Проведем теперь анализ случаев 2 и 3. Случай 2. Оптимальный приемник: реализация в переменных состояния. В § 9.4 был выведен алгоритм оптимального приемника для обнаружения медленно флуктуирующей цели на фоне небелого шума. Структурная схема этого алгоритма основывалась на реализуемом выбеливающем фильтре и содержала блок оценки по минимуму среднеквадратической ошибки небелого шума как одну из основных, принципиальных компонент.
Рис. 13.14. Структурная схема оптимального приемника. Такая реализация оптимального приемника показана на рис. 13.14 (это в сущности рис. 9.8 с несколько видоизмененными обозначениями). Статистику испытания можно представить в виде
где
Импульсная переходная функция
В соответствии с (9.111) величина
Функция Отсюда видно, что задачу синтеза оптимального приемника и анализа его помехоустойчивости можно решить полностью, если можно найти функцию Дифференциальные уравнения, описывающие шум
где
Реверберационный процесс представляется в виде
Небелый шум, создаваемый процессом реверберации, выражается функционалом
который будем называть модуляционным. Оценку по минимуму среднеквадратической ошибки получим, распространив теорию фильтрации Кальмана — Бьюси на случай пространственного интегрального оператора, определяемого выражением (115). Впервые это было проделано в работах [29, 30]. Приведем результаты этих работ (соотношения (116) — (121). Уравнение оценки имеет вид
Уравнение коэффициента усиления имеет вид
где функция
Заметим, что
Эта ковариационная матрица удовлетворяет дифференциальному уравнению
Необходимо отметить сходство между (120) и
Начальное условие имеет вид
Эти уравнения полностью определяют фильтр с импульсной переходной функцией приемник полностью определен и можно вычислить характеристики его помехоустойчивости. Структурная схема оптимального устройства оценки показана на рис. 13.15, жирными линиями обозначены тракты прохождения сигналов, являющихся одновременно функциями пространства и времени. Используя эту схему в приемнике, изображенном на рис. 13.14, получаем структурную схему оптимального приемника. Полезно сделать несколько замечаний по поводу оптимального приемника и соответствующих уравнений. 1. Оптимальный фильтр содержит пространственные операции. В большинстве случаев реализовать из точно затруднительно. Несколько приближенных реализаций мы рассмотрим в § 13.3.
Рис. 13.15. Структурная схема оптимального реализуемого фильтра, представленная в распределенных переменных состояния. 2. Помехоустойчивость оптимального приемника служит границей помехоустойчивости для более простых систем. Чтобы вычислить характеристики помехоустойчивости, необходимо найти 3. Уравнения (116) — (121) довольно сложны. Однако, как будет показано, их можно решить при вполне допустимом объеме вычислений. Пример, иллюстрирующий метод решения, приведен в § 13.3. Точно такая же задача фильтрации возникает при построении систем связи по каналам с рассеянием по двум параметрам. На этом завершается рассмотрение реализации оптимального приемника в переменных состояния при наличии реверберации. Рассмотрим теперь третий случай, указанный на с. 506. Случай 3. Реверберация с постоянным допплеровским профилем и бесконечными пределами дальности. В некоторых случаях интервал
то решение уравнения (106) можно получить, используя метод преобразования Фурье. С учетом (122) и (104) получаем уравнение
которое тождественно (88). Из (91) имеем
где
Подставляя (124) в (106), преобразуя и решая относительно
где
Помехоустойчивость приемника определяется по формуле (9.77):
Для иллюстрации полученных результатов рассмотрим теперь конкретную задачу. Пример 1. Рассмотрим такую же модель, как в примере с обычным приемником на с. 500. Сигнал определяется соотношением (94), а допплеровский профиль — соотношением (93). Из (127) с учетом (95) и (97) получим
Как и в случае обычного приемника, помехоустойчивость зависит от значений Полезно рассмотреть конкретный набор значений этих параметров. Зададимся, к примеру, следующими значениями параметров:
Нетрудно заметить, что этот набор значений выводит нас на аналогичные участки обеих кривых рис. 13.16 и 13.11 и соответствует неудовлетворительному выбору сигнала.
Рис. 13.16. Помехоустойчивость оптимального приемника при наличии реверберации. Для указанного набора значений параметров
Отсюда видно, что при очень плохом выборе сигнала различие в помехоустойчивости двух приемников составляет около 1,5 дБ. При любом достаточно хорошем выборе сигнала различие в помехоустойчивости двух приемников пренебрежимо мало. Это объясняется тем, что при хорошо выбранном сигнале реверберационные эхо-сигналы уменьшаются до уровня, когда оптимальный приемник не требуется. Рассмотрим кратко еще один пример. Пример 2. В некоторых случаях допплеровское расширение спектра реверберационных сигналов или мешающих отражений от местных предметов мало по сравнению с шириной энергетического спектра сигнала
Предположим, что
При малых уровнях реверберационных эхо-сигналов, таких, что
как нетрудно заметить, оптимальный фильтр сводится к согласованному фильтру. Однако при больших уровнях реверберационных эхо-сигналов
что соответствует передаточной функции обращенного фильтра (этот фильтр был впервые выведен в работе [31]). Таким образом, оптимальный приемник имеет существенно другой характер в частотных диапазонах, где ограничивающим фактором являются реверберационные помехи, а не аддитивный белый шум. Чтобы вычислить характеристики помехоустойчивости, подставим (132) в (127) и получим
Полезно вычислить
Подставив (137) в (136) и проинтегрировав, получим
При
Из (138) следуют два вывода: 1. Увеличение энергии передаваемого сигнала—неэффективный путь в борьбе с реверберацией; при сильной реверберации
где знак равенства получается при использовании экспоненциаль ного импульса 2. Как и следовало ожидать, Отметим, что в этом примере рассматривается цель с нулевой скоростью, которую наиболее трудно обнаружить в условиях реверберации, характер которой определяется соотношением (132). Помехоустойчивость монотонно улучшается при увеличении скорости. Этим случаем завершается рассмотрение вопросов синтеза оптимальных приемников и анализа их помехоустойчивости при наличии реверберации. Подведем теперь основные итоги рассмотрения реверберационной проблемы. 13.2.3. Основные итоги рассмотрения проблемы реверберацииМы исследовали проблему синтеза сигнала и приемника для случая, когда цель является медленно флуктуирующей точечной целью, а помеха состоит из сигналов от отражателей, имеющих рассеяние по дальности и допплеровскому параметру, и аддитивного белого шума. При этом был получен ряд интересных результатов. 1. Если используется обычный приемник с согласованным фильтром, то ухудшение помехоустойчивости из-за в шяния реверберации оценивается величиной
Этот интеграл имеет простую графическую интерпретацию, пока занную на рис. 13.9. 2. Задача синтеза оптимального сигнала для обычного приемника заключается в попытке минимизировать общий объем реверберационной функции рассеяния и сдвинутой функции неопределенности сигнала. Наилучший сигнал зависит от местоположения цели на плоскости «дальность — допплеровский сдвиг» и от функции 3. Если можно сделать указанные две функции практически Нё-пересекающимися, то обычный и оптимальный приемники тождественны и их помехоустойчивость определяется только аддитивным шумом. 4. Если приходится использовать сигнал, у которого эти две функции имеют значительное перекрытие, то оптимальный приемник обеспечивает повышенную помехоустойчивость. Важно помнить, что эта улучшенная помехоустойчивость требует более сложного приемника и предполагает знание функции рассеяния (включая ее уровень) и интенсивности аддитивного шума. 5. Для большого числа случаев можно найти оптимальный приемник и определить его помехоустойчивость. Методы выполнения Такого анализа были подробно изложены. Рассмотрение было ограничено обычным и оптимальным приемниками. В некоторых ситуациях полезными оказываются приемники третьей категории. Такой приемник вычисляет величину
и сравнивает
где Данная формулировка хороша тем, что позволяет построить систему, которая работает лучше обычного приемника и проще оптимального приемника. Эта задача и ее различные варианты исследовались в работах [32 — 34]. Полагаем, что читатель обратится к этим источникам, поскольку в них хорошо показано, как можно использовать реверберационную модель с рассеянием по двум параметрам, чтобы получить эффективные реальные системы. Различные аспекты этого вопроса изложены в задачах вне основного текста (например, задачи 13.2.17 и 13.2.18). Этим завершается рассмотрение задач, связанных с влиянием мешающих отражений от местных предметов. Обратимся теперь к задаче другого типа.
|
1 |
Оглавление
|