Введение

Линейная FM-форма волны является популярным выбором в современных радиолокационных системах, потому что она может достичь высокого разрешения области значений, пронеся широкую полосу пропускания. Однако, когда ширина полосы частот составляет порядка сотен мегагерц, или даже гигагерц, становится трудно выполнить согласованную фильтрацию или импульсное сжатие в цифровой области, потому что высококачественные аналого-цифровые преобразователи трудно найти при таких скоростях передачи данных.

Обработка растяжения, иногда также называемая deramp, является методом, который может использоваться в таких ситуациях. Обработка растяжения выполняется в аналоговой области.

Принятый сигнал сначала смешивается с репликой переданного импульса. Обратите внимание, что реплика соответствует возврату из ссылки области значений. После смешивания полученный сигнал содержит частотную составляющую, которая соответствует смещению области значений, измеренному из этого опорного диапазона. Следовательно, точная область значений может быть оценен путем выполнения спектрального анализа сигнала на выходе смесителя.

В сложение, вместо обработки всего диапазона области значений, охватываемого импульсом, обработка особого внимания на небольшом окне вокруг предопределённой ссылки области значений. Из-за ограниченного диапазона области значений выхода данные растягивающего процессора могут быть дискретизированы с меньшей скоростью, ослабляя требования к пропускной способности для A/D-преобразователей

Следующие разделы показывают пример оценки области значений с помощью обработки растяжения.

Область Setup

Радиолокационная система в этом примере использует линейную FM-форму волны с пропускной способностью 3 МГц. Форма волны может использоваться для достижения разрешения области значений 50 м и максимальной однозначной области значений 8 км. Частота дискретизации устанавливается на 6 МГц, то есть в два раза больше полосы пропускания. Для получения дополнительной информации о радиолокационной системе см. Раздел «Проект формы волны» для улучшения эффективности области значений существующей системы.

Три цели расположены в 2000,66, 6532,63 и 6845,04 метрах от радара соответственно. Десять импульсов моделируются в приемнике. Эти импульсы содержат отголоски от целей.

[rx_pulses, waveform] = helperStretchSimulate;
fs = waveform.SampleRate;

График временной частоты принимаемого импульса показан ниже. Когерентное интегрирование импульсов выполняется перед графиком, чтобы улучшить отношение сигнал/шум (ОСШ). На рисунке возврат от первой цели хорошо виден между 14 и 21 мс, в то время как возврат от второй и третьей цели намного слабее, появляясь после 45 мс.

helperStretchSignalSpectrogram(pulsint(rx_pulses,'coherent'),fs,...
    8,4,'Received Signal');

Обработка растяжения

Чтобы выполнить обработку растяжения, сначала определите ссылку области значений. В этом примере цель состоит в том, чтобы искать цели на расстоянии 6700 м от радара в 500-метровом окне. Процессор растяжения может быть сформирован с использованием формы волныжелаемой ссылки области значений и диапазона области значений.

refrng = 6700;
rngspan = 500;
prop_speed = physconst('lightspeed');
stretchproc = getStretchProcessor(waveform,refrng,rngspan,prop_speed)

stretchproc = 
  phased.StretchProcessor with properties:

          SampleRate: 5.9958e+06
          PulseWidth: 6.6713e-06
           PRFSource: 'Property'
                 PRF: 1.8737e+04
          SweepSlope: 4.4938e+11
       SweepInterval: 'Positive'
    PropagationSpeed: 299792458
      ReferenceRange: 6700
           RangeSpan: 500

Затем передайте полученные импульсы через процессор растяжения.

y_stretch = stretchproc(rx_pulses);

Теперь когерентно интегрируйте импульсы, чтобы улучшить ОСШ.

y = pulsint(y_stretch,'coherent');

Спектрограмма сигнала после обработки растяжения показана ниже. Обратите внимание, что второй и третий целевые эхо-сигналы больше не отображаются как пандус на графике. Вместо этого их частотно-временные сигнатуры появляются на постоянных частотах, около 0,5 и -0,5 МГц. Следовательно, сигнал ослаблен. В сложение возврат от первого целевого объекта отсутствует. Фактически, любой сигнал за пределами областей значений интереса был подавлен. Это происходит потому, что процессор растяжения позволяет возвращать целевые возвраты только в окне области значений pass.Этот процесс часто упоминается как диапазон стробирования в реальной системе.

helperStretchSignalSpectrogram(y,fs,16,12,'Deramped Signal');

Оценка области значений

Чтобы оценить целевую область значений, постройте график спектра сигнала.

periodogram(y,[],2048,stretchproc.SampleRate,'centered');

Из рисунка ясно, что в ослабленном сигнале существуют две доминирующие частотные составляющие, которые соответствуют двум целям. Частоты этих пиков могут использоваться, чтобы определить истинные значения области значений этих целей.

[p, f] = periodogram(y,[],2048,stretchproc.SampleRate,'centered');


[~,rngidx] = findpeaks(pow2db(p/max(p)),'MinPeakHeight',-5);
rngfreq = f(rngidx);
re = stretchfreq2rng(rngfreq,...
    stretchproc.SweepSlope,stretchproc.ReferenceRange,prop_speed)

re = 2×1
103 ×

    6.8514
    6.5174

Предполагаемые области значений составляют 6518 и 6852 метра, что соответствует истинным областям значений 6533 и 6845 метров.

Пониженная частота дискретизации

Как упоминалось во введении, привлекательной функцией обработки растяжения является то, что она уменьшает требование к полосе пропускания для последовательных этапов обработки. В этом примере области значений диапазон интереса составляет 500 метров. Необходимая шумовая полоса для последовательных этапов обработки может быть вычислена как

rngspan_bw = ...
    2*rngspan/prop_speed*waveform.SweepBandwidth/waveform.PulseWidth

rngspan_bw = 1.4990e+06

Следуя тому же правилу проекта, что и в исходной системе, где в качестве частоты дискретизации используется вдвое больше полосы пропускания, новая необходимая частота дискретизации становится

fs_required = 2*rngspan_bw

fs_required = 2.9979e+06

dec_factor = round(fs/fs_required)

dec_factor = 2

Получившийся коэффициент дециматора равен 2. Это означает, что после выполнения обработки растяжения в аналоговой области сигналы могут быть дискретизированы только на половине частоты дискретизации по сравнению со случаем, когда обработка растяжения не используется. Таким образом, требования к A/D конвертеру были ослаблены.

Чтобы проверить это преимущество в симуляции, следующий раздел показывает, что те же области значений могут быть оценены с децимированным сигналом после обработки растяжения.

% Design a decimation filter
decimator = design(fdesign.decimator(dec_factor,'lowpass',...
    'N,F3dB',10,1/dec_factor),'SystemObject',true);

% Decimate
y_stretch = decimator(y_stretch);

На этот раз спектральная плотность степени строится относительно областей значений.

y = pulsint(y_stretch,'coherent');
[p, f] = periodogram(y,[],2048,fs_required,'centered');
rng_bin = stretchfreq2rng(f,...
    stretchproc.SweepSlope,stretchproc.ReferenceRange,prop_speed);
plot(rng_bin,pow2db(p));
xlabel('Range (m)'); ylabel('Power/frequency (dB/Hz)'); grid on;
title('Periodogram Power Spectral Density Estimate');

[~,rngidx] = findpeaks(pow2db(p/max(p)),'MinPeakHeight',-5);
re = rng_bin(rngidx)

re = 2×1
103 ×

    6.8504
    6.5232

Истинные значения области значений - 6533 и 6845 метров. Без десятикратного уменьшения оценки области значений составляют 6518 и 6852 метра. С десятикратным уменьшением оценки области значений составляют 6523 и 6851 метр. Поэтому оценка области значений приводит к одному и тому же результату с примерно половиной расчетов по сравнению с недефицируемым случаем.

Сводные данные

Этот пример показывает, как использовать обработку растяжения для оценки целевой области значений, когда используется линейная форма FM волны. Это также показывает, что обработка растяжения уменьшает требование к полосе пропускания.

Ссылка

[1] Марк Ричардс, Основы радиолокационной обработки сигналов, McGraw-Hill, 2005.