Введение

Радиолокационные системы используют согласованные фильтры в приемной цепи для улучшения отношения сигнал/шум (SNR). Согласованные фильтры являются реверсированными по времени и сопряженными версиями передаваемого сигнала. Функция неоднозначности является выходом согласованного фильтра для данной входной формы сигнала. Функция неоднозначности используется для просмотра разрешения формы сигнала и неоднозначностей как в доплеровской области, так и в области диапазона. Идеальной функцией неоднозначности является двумерная дельта-функция Дирака, аналогичная форме миниатюры, не имеющая неоднозначностей. Однако эта функция недостижима, поскольку требует формы сигнала с бесконечной длительностью и полосой пропускания. Полоса пропускания представляет собой разность между верхней и нижней частотами сигнала. Функции неоднозначности различных форм сигнала обеспечивают понимание их преимуществ и недостатков.

В этом примере используются требования к радиолокационной системе, представленные и охарактеризованные в примере анализа формы волны с использованием функции неоднозначности, и приблизительная скорость света составляет 3е8 м/с. Желаемая система имеет максимальную однозначную дальность 15 км и дальность разрешения 1,5 км.

Прямоугольные формы волн

Описание

Наиболее основной формой сигнала является прямоугольная форма сигнала, амплитуда которой изменяется между двумя значениями, аналогично квадратной волне. По умолчанию в анализаторе радиолокационных сигналов используется прямоугольный сигнал.

Создайте форму сигнала со следующими параметрами:

Используйте частоту дискретизации, которая, по меньшей мере, вдвое превышает самую высокую частотную составляющую сигнала, которая в данном случае является полосой пропускания. В прямоугольной форме сигнала ширина полосы представляет собой обратную величину ширины импульса. Поскольку полоса пропускания составляет 100 кГц, частота дискретизации составляет 200 кГц.

Диапазон и разрешение

На вкладке Characteristics показаны свойства радиолокационной системы, использующей данный прямоугольный сигнал. Для наблюдения зависимости между частотой повторения импульсов (PRF) и другими характеристиками увеличьте и уменьшите значения PRF.

На вкладке «Характеристики» показано, что PRF обратно пропорционален максимальному однозначному диапазону, поскольку максимальный однозначный диапазон определяется количеством времени между импульсами. Соотношение между PRF и максимальным однозначным диапазоном применяется для всех импульсных сигналов, так как чем дальше разнесены импульсы, тем дальше сигнал может распространяться и возвращаться до того, как будет излучен следующий импульс.

За пределами простого диапазона измерения радиолокационные системы измеряют скорость, используя эффект Доплера. Чем больше доплеровский сдвиг по сравнению с исходным сигналом, тем быстрее движется цель. По существу, доплеровский сдвиг и скорость прямо пропорциональны и часто используются взаимозаменяемо. На вкладке Characteristics отображаются доплеровское разрешение и максимальный доплеровский сдвиг, которые соответствуют разрешению скорости и максимальной обнаруживаемой скорости соответственно. Эти сигналы также демонстрируют дилемму Доплера, где малый PRF дает больший максимальный однозначный диапазон, но плохой максимальный Доплер, в то время как больший PRF дает лучший максимальный Доплер, но худший максимальный однозначный диапазон.

На вкладке «Характеристики» показано, что меньшая ширина импульса обеспечивает лучшее разрешение диапазона и меньший минимальный диапазон. Компромисс для меньшей длительности импульса заключается в том, что требуется более высокая пиковая мощность для надежного обнаружения обратного эхо-сигнала.

Исходный сигнал имеет максимальный диапазон 15 км и разрешение диапазона 1,5 км, но его доплеровское разрешение составляет 10 кГц. Предполагая, что РЛС работает на частоте 1 ГГц, доплеровское разрешение диктует, что РЛС не может разделять цели с разностью скоростей менее 30 км/с, что слишком велико, чтобы быть практичным для многих реально существующих РЛС. Для дальнейшей визуализации диапазонов и доплеровских доменов просмотрите различные графики неоднозначности.

График доплеровского среза при 0 кГц показывает автокорреляционную функцию (ACF) формы сигнала, которая соответствует согласованному отклику фильтра стационарной мишени. Первый нулевой отклик для каждого сигнала такой же, как и его соответствующая длительность импульса. Чтобы получить разрешение диапазона, умножьте длительность импульса на скорость света свыше 2, чтобы учесть прохождение в оба конца. В примере форм сигналов разрешающая способность диапазона составляет 1,5 км, 3 км и 4,5 км.

График отсечения с нулевой задержкой показывает большие промежутки до первого нулевого отклика для каждой из форм сигнала. Если смотреть на широтно-импульсный сигнал 10 мкс, то первое нулевое значение равно 0,1 МГц, что соответствует доплеровскому сдвигу 100 кГц или 30 км/с. Другими словами, две цели должны иметь скорости, отличающиеся более чем на 30 км/с, для разделения посредством доплеровской реакции, что нереально в большинстве радиолокационных ситуаций.

Контурный график отображает ненулевой отклик функции неоднозначности. Поскольку рабочий цикл или отношение длительности импульса к периоду импульса составляет 10%, ненулевой отклик занимает только около 10% всех задержек. Функция неоднозначности поверхности показывает отклик по отношению как к задержке, так и к доплеровской, что является просто другим способом визуализации 3-D контурного графика.

Изменения ширины импульса и PRF показывают, как улучшить максимальный неоднозначный диапазон и разрешение диапазона, но доплеровское разрешение остается плохим. Решение состоит в использовании меньшей длительности импульса с большей PRF, но оба изменения значительно снижают максимальную мощность и, таким образом, SNR, затрудняя обнаружение объектов. Произведение ширины полосы и длины импульса называется произведением временной ширины полосы, и поскольку ширина полосы и длина импульса прямоугольной длины волны обратно пропорциональны, произведение временной ширины полосы не может превышать 1 для этой формы сигнала. Из-за этих компромиссов прямоугольные сигналы редко используются в практических радиолокационных системах.

Линейный ЧМ

Описание

Линейные частотно-модулированные (ЧМ) сигналы представляют собой фазово-модулированные сигналы, частота которых либо увеличивается, либо линейно уменьшается на протяжении всей длительности импульса. Линейные ЧМ-сигналы являются популярным выбором для радиолокационных систем, поскольку, в отличие от прямоугольных сигналов, ширина импульса и энергия импульса разъединяются из-за изменения частоты. Это разделение приводит к тому, что ширина полосы пропускания превышает 1, и обеспечивает улучшенную способность обнаружения цели. Приложение Radar Waveform Analyzer также способно моделировать эти сигналы. Дополнительные сведения о линейных ЧМ-сигналах см. в разделе Линейные частотно-модулированные импульсные сигналы

Создайте форму сигнала со следующими параметрами:

Щелкните вкладку Спектр (Spectrum) для просмотра пиковой мощности.

Диапазон и разрешение

Поскольку форма сигнала длиннее, мощность увеличивается. Однако разрешение диапазона, доплеровское разрешение и максимальный однозначный диапазон являются такими же, как и для прямоугольной формы сигнала из-за эффектов частотной модуляции. Вкладка «Characteristics» (Характеристики) показывает, что минимальный диапазон значительно увеличивается, что означает, что система не может обнаружить объекты, которые находятся ближе 7,5 км. Для улучшения доплеровского разрешения и уменьшения минимального диапазона используйте многочисленные импульсы.

Используя последовательность когерентных импульсов и доплеровскую обработку, доплеровское разрешение улучшается пропорционально количеству добавленных импульсов. Вкладка Characteristics показывает, что разрешение диапазона, максимальный доплеровский и максимальный однозначный диапазон все еще остаются прежними, но разрешение доплеровского диапазона значительно улучшается. Компромисс для добавления дополнительных импульсов заключается в том, что теперь присутствуют боковые лопасти, которые можно увидеть на вкладке Согласованный ответ фильтра. Один из способов уменьшить эти боковины - применить окно.

Нажмите Ctrl и щелкните на двух волнах, чтобы сравнить их бок о бок. Окно уменьшает мощность основного блока со 100 В до менее чем 50 В, что является потерей мощности около 33 дБ, а ширина основного блока также шире по сравнению с формой сигнала, где вы не применили окно. Однако окно действительно выравнивает боковые лопасти, что делает обнаружение с использованием порогов более надежным.

Частотно-модулированные непрерывные сигналы (FMCW)

Описание

Частотно-модулированные непрерывные сигналы (FMCW) аналогичны линейным ЧМ-сигналам, но являются непрерывными, а не импульсными, что фактически является линейным ЧМ-сигналом, но с рабочим циклом 100%. FMCW часто используются в автомобильных радиолокационных системах малой дальности из-за их резкого разрешения как для доплеровского, так и для дальнобойного.

Создайте форму сигнала со следующими параметрами:

Диапазон и разрешение

Проверьте вкладку Characteristics (Характеристики) и убедитесь, что большинство характеристик совпадают с характеристиками прямоугольной формы сигнала. Заметное отличие заключается в том, что при непрерывных сигналах приемник всегда остается включенным, поэтому минимальный диапазон всегда равен 0. Для улучшения разрешения диапазона увеличьте пропускную способность развертки.

Разрешение по дальности улучшается в 5-0,3 км. Однако доплеровское разрешение все еще низкое при 10 кГц. Одним из способов улучшить это является увеличение времени свип-сигнала, которое по существу удлиняет длительность частотной модуляции.

Увеличенное время развертки улучшает доплеровское разрешение в 10 раз, уменьшая его до 1 кГц. Хотя доплеровское разрешение улучшается, компромисс для удлинения сигнала заключается в том, что максимальный доплеровский коэффициент уменьшается на тот же коэффициент, поэтому, если есть быстро движущиеся цели, которые превышают этот доплеровский предел, радиолокационная система не может определить их скорость без дополнительной сложности обработки.

Увеличение числа свипов следует тому же принципу последовательности когерентных импульсов для улучшения доплеровского разрешения с 10 кГц до 1 кГц. На вкладке Доплеровский разрез (Doppler Cut) отображается функция неоднозначности, которая имеет значительные боковые обочины.

Функцию неоднозначности, которая имеет многочисленные боковые грани, часто называют функцией неоднозначности «ложе ногтей». Чтобы получить лучший вид, сравните 3-D графики неоднозначности бок о бок.

Функция неоднозначности слегка перекосится вдоль плоскости Доплера-Задержки, что показывает, что небольшие изменения Доплера могут вызвать ошибки в измерениях дальности. Это явление называется диапазонно-доплеровской связью и обычно встречается в линейных ЧМ-сигналах.

Другой компромисс с формой сигнала FMCW заключается в том, что максимальный однозначный диапазон является функцией времени сдвига, которое может быть трудно увеличить за определенный момент. Таким образом, многие РЛС FMCW ограничены малым диапазоном, но из-за их улучшенной дальности и доплеровского разрешения по сравнению с другими формами сигналов, формы сигналов FMCW обычно используются в системах, требующих высокой точности измерений.

Резюме

В этом примере показано, как использовать приложение Radar Waveform Analyzer для сравнения различных типов сигналов, включая прямоугольные, линейные FM и FMCW. Функция неоднозначности формы сигнала является выходом согласованного фильтра с формой сигнала в качестве входного сигнала, и функция неоднозначности служит ценным инструментом для определения эффективности формы сигнала для данной радиолокационной системы.