Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ математической модели радиосигнала, рассеянного радиофизической сценой 14
1.1 Рассеяние волн радиофизической сценой 15
1.2 Математическая модель эхо-сигнала радиофизической сцены 24
Выводы 33
ГЛАВА 2. Имитация эхо-сигнала радиофизической сцены в реальном времени 34
2.1 Модель эхо-сигнала, обеспечивающая моделирование сигнала с заданной точностью при меньшем объёме вычислений 34
2.2 Способ и устройство имитации эхо-сигнала сложной радиофизической сцены в реальном масштабе времени 42
Выводы 50
ГЛАВА 3. Исследование адекватности модели эхо- сигнала 51
3.1 Определение условий моделирования эхо-сигнала с заданной точностью и минимальным объёмом вычислений 52
3.2 Определение интервала времени, на котором обеспечивается заданная точность моделирования эхо-сигнала 58
Выводы 68
ГЛАВА 4. Имитатор эхо-сигнала для ртс дистанционного зондирования 69
4.1 Разработка имитатора эхо-сигнала для РТС дистанционного зондирования поверхности Земли 69
4.2 Испытания имитатора эхо-сигнала и измерение его метрологических характеристик 81
Выводы 91
Заключение 92
Список использованных источников 93
Приложение 1 106
- Математическая модель эхо-сигнала радиофизической сцены
- Способ и устройство имитации эхо-сигнала сложной радиофизической сцены в реальном масштабе времени
- Определение интервала времени, на котором обеспечивается заданная точность моделирования эхо-сигнала
- Разработка имитатора эхо-сигнала для РТС дистанционного зондирования поверхности Земли
Введение к работе
Актуальность темы
В настоящее время наблюдается значительный прогресс радиотехнических систем (РТС) и их широкое применение в различных областях деятельности. Процесс разработки РТС непременно включает этап экспериментальной отладки и испытаний аппаратуры РТС, отработку алгоритмов её функционирования.
Испытания РТС в реальных условиях требуют больших финансовых и временных затрат. Другим недостатком натурных испытаний является сложность интерпретации полученных результатов, которая обусловлена случайным изменением условий эксперимента. В связи с этим широкое распространение получил другой метод, который предполагает проведение испытаний РТС на моделирующих комплексах с включением в их состав реальной аппаратуры. Данный метод, называемый полунатурным моделированием, обеспечивает получение достоверных данных о работе реальной аппаратуры РТС в широком диапазоне условий в ходе лабораторных исследований. Это позволяет повысить качество работы РТС, а также удешевить и сократить сроки их разработки и испытаний.
Полунатурное моделирование осуществляется с использованием имитаторов внешних воздействий. Работа имитаторов основана на моделях каналов распространения сигналов, разработке которых уделяется большое внимание в России и за рубежом. Существующие модели радиоканалов могут быть разделены на три вида: эмпирические, статистические и детерминированные.
Эмпирические модели представляют собой описание каналов, аппроксимирующее результаты экспериментальных измерений. Данные модели с высокой степенью адекватности описывают реальные каналы, но область их адекватности невелика. Статистические модели представляют собой описание радиоканалов как случайных сред, системные функции которых задаются определённой вероятностной моделью. Статистические модели обеспечивают адекватное описание каналов в широком диапазоне условий при относительной математической простоте, что определяет их широкое применение при моделировании сигналов и разработке имитаторов многолучевых каналов. Однако статистические модели не позволяют адекватно имитировать тонкую структуру сигналов, обусловленную особенностями геометрического строения и электрических характеристик среды распространения.
Детерминированные модели представляют собой описание каналов на основе фундаментальных представлений о распространении сигналов, а также геометрических и электрических моделей сред, что позволяет достичь высокой адекватности имитации распространения сигналов в реальных каналах. Одним из видов задач, в которых требуется применение детерминированных моделей, является адекватная имитация сигналов, рассеянных поверхностью Земли, естественными и искусственными объектами, совокупность которых далее называется радиофизической сценой. Примерами таких задач являются отладка алгоритмов работы РТС дистанционного зондирования в режиме
картографирования и оценка надёжности работы РТС передачи информации в реальных условиях.
Разработке и применению детерминированных моделей посвящены работы Борзова А.Б., Соколова А.В., Сухаревского О.И., Васильца В.А., Кор-неева Ю.А. и других. Данные модели основаны на аппроксимации сложной поверхности радиофизической сцены совокупностью простых элементов, для которых существуют аналитические решения уравнений электродинамики. При этом сигналы на выходе приёмной антенны РТС представляются в виде суперпозиции сигналов, рассеянных отдельными элементами модели среды. Данные модели каналов обладают существенным недостатком, который состоит в том, что адекватность имитации эхо-сигналов радиофизических сцен достигается, если модели радиофизических сцен содержат большое, порядка 109 -г- 1010, количество элементов. При этом объём вычислений при имитации сигнала оказывается настолько большим, что для его выполнения в реальном масштабе времени требуется применение недопустимо сложных и дорогих вычислительных средств. В связи с этим в существующих имитаторах сигналов, рассеянных радиофизическими сценами, либо используются заранее подготовленные записи рассеянного сигнала, что не позволяет изменять условия эксперимента в процессе его проведения, либо применяются в значительной степени упрощённые модели сцен, не позволяющее адекватно имитировать тонкую структуру рассеянного сигнала.
Таким образом, в настоящее время сложилась ситуация, в которой, с одной стороны, необходимо с высокой степенью адекватности в реальном масштабе времени имитировать радиосигналы, рассеянные радиофизическими сценами со сложной геометрией (эхо-сигналы сложных радиофизических сцен). С другой стороны, имитация эхо-сигналов таких сцен в реальном масштабе времени с заданной степенью адекватности на основе известных моделей и методов нереализуема с использованием современных аппаратных средств вычислительной техники. Разрешение данного противоречия представляет актуальную задачу, решению которой посвящена диссертационная работа.
Целью диссертационной работы является обеспечение имитации эхо-сигналов сложных радиофизических сцен с заданной точностью в реальном масштабе времени с использованием современных аппаратных средств.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи.
Разработать математическую модель эхо-сигнала сложной радиофизической сцены, обеспечивающую моделирование сигнала с заданной точностью при меньшем объёме вычислений в сравнении с известными моделями, основанными на фацетном представлении сцены.
Разработать способ адекватной имитации радиосигнала, отражённого от пространственно распределённой динамической радиофизической сцены, в реальном времени.
Провести экспериментальные исследования возможности имитации эхо-сигналов сложных радиофизических сцен с заданной точностью в
реальном масштабе времени с использованием современных аппаратных средств на основе полученных теоретических результатов. Объектом исследования являются математические модели эхо-сигналов сложных радиофизических сцен.
Предметом исследования являются соотношение адекватности и вычислительной сложности математических моделей эхо-сигналов, методы и алгоритмы адекватной имитации эхо-сигналов в реальном масштабе времени на базе и современных аппаратных средств.
Методы исследований включают методы электродинамики и физической оптики, теорию линейных радиотехнических систем, метод численного моделирования, методы цифровой обработки сигналов.
Положения и результаты работы, выносимые на защиту.
Математическая модель эхо-сигнала сложной радиофизической сцены, обеспечивающая моделирование сигнала с заданной точностью при меньшем объёме вычислений в сравнении с известными моделями, основанными на фацетном представлении сцены.
Способ имитации радиосигнала, отражённого от пространственно распределённой динамической радиофизической сцены, обеспечивающий имитацию в реальном времени сигналов, адекватных эхо-сигналам сложных радиофизических сцен.
Имитатор, обеспечивающий в реальном масштабе времени физическое формирование эхо-сигналов сложной радиофизической сцены с заданной точностью.
Научно-практические рекомендации по реализации имитаторов и формированию сигналов с использованием современных аппаратных средств, обеспечивающие для различных видов РТС и сцен имитацию эхо-сигналов с заданной точностью в реальном масштабе времени. Научная новизна работы.
Разработана математическая модель эхо-сигнала сложной радиофизической сцены, обеспечивающая моделирование сигнала с заданной точностью, отличающаяся от известных моделей, основанных на фацетном представлении радиофизической сцены, сокращением числа переменных во времени параметров.
Разработан способ адекватной имитации радиосигнала, отражённого от радиофизической сцены, в реальном времени, отличающийся группировкой фацетов, сигналы которых не разрешаются РТС, и вычислением используемой для имитации радиосигнала импульсной характеристики сложной радиофизической сцены по суммарным коэффициентам передачи групп фацетов.
Разработан имитатор эхо-сигнала сложной радиофизической сцены, отличающийся тем, что расчёт импульсной характеристики сцены с упреждением по времени осуществляется одновременно с формированием сигнала на параллельно работающих частях имитатора.
4. В ходе экспериментальных исследований разработаны новые научно-практические рекомендации по реализации имитаторов и формированию сигналов с использованием современных аппаратных средств. Практическая значимость работы.
Результаты работы могут быть использованы при создании имитаторов радиосигналов, адекватных сигналам в каналах, образованных сложными радиофизическими сценами. Применение этих имитаторов в составе стендов полунатурного моделирования и тренажёров позволит повысить надёжность работы и достоверность определения характеристик РТС, удешевить и сократить сроки разработки РТС, повысить уровень подготовки специалистов и операторов РТС.
Апробация результатов работы. Результаты диссертационной работы обсуждены на следующих конференциях.
Международная конференция «Авиация и космонавтика - 2003», г. Москва, 2003 г.
Международная молодежная научная конференция «XXX Гагаринские чтения», г. Москва, 2004 г.
V Всероссийская научно-практическая конференция-выставка "Актуальные вопросы разработки и внедрения информационных технологий двойного применения", г. Ярославль, 2004 г.
Пятьдесят седьмая научно-техническая конференция студентов и магистров, г. Ярославль, 2004 г.
Федеральная итоговая научно-техническая конференция «Всероссийского конкурса на лучшие научные работы студентов по естественным, техническим наукам (проекты в области высоких технологий) и инновационным научно-образовательным проектам», г. Москва, 2004 г.
XI Международная научно-техническая конференция «Радиолокация Навигация Связь», г. Воронеж, 2005 г.
Юбилейная научно-техническая конференция «Авиационные системы в XXI веке», г. Москва, 2006 г.
Международная конференция «Перспективы использования новых технологий и научно-технических решений в ракетно-космической и авиационной промышленности», г. Москва, 2008 г.
IX Всероссийская научно-практическая конференция «Актуальные вопросы разработки и внедрения информационных технологий двойного применения», г. Ярославль, 2008 г.
IV Всероссийская научная школа и конференция «Радиофизические методы в дистанционном зондировании сред», г. Муром, 2009 г.
II Всероссийская научно-практическая конференция «Радиолокационная техника: устройства, станции, системы РЛС-2010», г. Муром 2010 г.
XI Всероссийская научно-практическая конференция «Актуальные вопросы разработки и внедрения информационных технологий двойного применения», г. Ярославль, 2010 г.
9-ая Международная научно-техническая конференция «Перспективные технологии в средствах передачи информации», г. Владимир, 2011 г.
Также результаты диссертационной работы представлены в виде стендовых докладов и действующих макетов на следующих выставках:
V Всероссийская выставка Научно-Технического Творчества Молодежи, г. Москва, 2005 г.
VII Московский Международный салон инноваций и инвестиций, г. Москва, 2007 г.
Российская национальная выставка в Республике Индия, г. Дели,
2008 г.
IX Всероссийская выставка Научно-Технического Творчества Молодежи, г. Москва, 2009 г.
Межрегиональная специализированная выставка-конференция информационных технологий и телекоммуникаций «IT Volga 2009», г. Ярославль,
2009 г.
XIII Московский международный Салон изобретений и инновационных технологий «Архимед-2010», г. Москва, 2010 г.
II Международный форум по интеллектуальной собственности «Expopri-ority 2010», г. Москва, 2010 г.
Межгосударственная выставка, посвященная 20-летию Содружества Независимых Государств «20 лет СНГ: к новым горизонтам партнёрства», г. Москва, 2011г.
Публикации. Результаты диссертационной работы изложены в 2 изданиях, рекомендованных ВАК, патенте на изобретение, свидетельстве о государственной регистрации программы для ЭВМ, 13 тезисах докладов и в 4 сборниках трудов.
Внедрение результатов работы. Имитатор эхо-сигнала подстилающей поверхности внедрён на стенде полунатурного моделирования для отладки алгоритмов работы РТС дистанционного зондирования в режиме картографирования в ЗАО «Новые технологии», г. Москва. Результаты работы внедрены в ОАО «НПО «Транском», г. Москва для повышения точности прогноза зон уверенной связи РТС в каналах «земля - самолёт», «самолёт - самолёт». Также результаты работы (в частности, способ имитации радиосигнала) применены при выполнении НИР и ОКР в ЯрГУ им. П.Г. Демидова, а также внедрены в учебный процесс по специальностям «Радиофизика и электроника» и «Телекоммуникации» и процесс подготовки специалистов высшей квалификации на кафедре радиотехнических систем ЯрГУ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 116 страницах машинописного текста, содержит 53 формулы, иллюстрирована 40 рисунками и 5 таблицами. Работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 95 наименований на 13 страницах и двух приложений на 11 страницах.
Математическая модель эхо-сигнала радиофизической сцены
Приведённые в предыдущем разделе выражения (1.1.2) и (1.1.14) описывают связь напряжённости электрического поля волны, рассеянной радиофизической сценой, с напряжённостью поля волны, падающей на отдельные фацеты радиофизической сцены. Формирование падающей волны и преобразование рассеянной волны в радиосигнал обеспечивается излучающей и приёмной антеннами РТС соответственно.
Вектор комплексной амплитуды напряжённости электрического поля волны, которую создаёт излучающая антенна, на вход которой поступает гармонический сигнал с амплитудой Uu и с начальной фазой р , в точке наблюдения, находящейся в дальней зоне антенны, выражается следующим образом [72]: где Gu - коэффициент усиления антенны; Z0 - волновое сопротивление \ среды, в которой происходит распространение волны (ZQ = 1207Г Ом для свободного пространства); Uu = UQXp\j(pu) - комплексная амплитуда сигнала на входе антенны; Fu\6),(p) - векторная комплексная диаграмма направленности (ДН) излучающей антенны в направлении на точку наблюдения; к - волновое число излучаемой волны; Ru — расстояние от антенны до точки наблюдения. Векторная комплексная диаграмма направленности антенны является одним из важнейших параметров антенны, который полностью определяет угловое распределение, и поляризационные, и фазовые свойства электромагнитного поля волны в дальней зоне антенны. Она является функцией угловых координат точки наблюдения, отсчитываемых в сферической системе координат, связанной с антенной (рис. 1.5). Вещественный положительный сомножитель F[0,(p) представляет собой амплитудную диаграмму направленности по полю, нормированную таким образом, что его максимальное значение равно единице max[F(0,0 )] = l. Векторный сомножитель р\&,(р) представляет собой единичный вектор поляризации с двумя компонентами, ориентированными по направлению базисных ортов сферической системы координат, связанной с антенной, Єв и Є (рис. 1.5): и (р рв + р = 1, а компоненты рв и р показывают относительное содержание вертикальной и горизонтальной составляющих вектора напряженности электрического поля в дальней зоне антенны для каждого направления 0 и (р, а также фазовый сдвиг между этими компонентами. Одну из компонент вектора поляризации обычно называют главной составляющей поляризации электромагнитной волны, по которой задаётся фазовая ДН антенны, представляемая функцией Ф\0,ф) в показателе экспоненты в формуле (1.2.2). Фазовая ДН антенны характеризует изменение фазового сдвига компонента главной поляризации при перемещении точки наблюдения по поверхности сферы большого радиуса с центром в начале выбранной системы координат. Комплексная амплитуда гармонического сигнала, который формируется на выходе приёмной антенны при её облучении из дальней зоны плоской волной, напряжённость поля которой задана вектором комплексной амплитуды Е, определяется следующим образом [72]: где Gn - коэффициент усиления приёмной антенны; Zn - сопротивление излучения приёмной антенны; X - длина падающей на антенну волны; 1?п{0,(р) - комплексная векторная ДН приёмной антенны в направлении прихода волны, падающей на антенну. Объединение (1.1.14), (1.2.1) и (1.2.4) приводит к выражению, которое описывает комплексную амплитуду сигнала на выходе приёмной антенны РТС, создаваемую отдельным фацетом радиофизической сцены. При дальнейшем изложении такой сигнал называется сигналом фацета. Комплексная амплитуда сигнала 772-го фацета описывается выражением [31]: векторная комплексная ДН приёмной антенны в направлении на 772-ый фацет; L - матрица эффективной длины 772-го фацета; Fum = FM\6m, Pm) - векторная комплексная ДН излучающей антенны в направлении на ТП -ый фацет; Rum - расстояние от излучающей антенны до Tfl-vo фацета; Rnm - расстояние от ТП-то фацета до приёмной антенны. При домножении обеих частей выражения (1.2.7) на высокочастотный множитель exp[y#?/J, где б) = 2лс/А, осуществляется переход от комплексных амплитуд непосредственно к излучаемому и принимаемому сигналам, представленным в комплексной форме.
Способ и устройство имитации эхо-сигнала сложной радиофизической сцены в реальном масштабе времени
Способ имитации радиосигнала представляет совокупность действий, которые необходимо выполнить, чтобы в реальном масштабе времени сформировать радиосигнал, .адекватный эхо-сигналу сложной радиофизической сцены.» Данная совокупность действий определена в результате анализа математической модели эхо-сигнала радиофизической сцены.
Согласно разработанной математической модели при формировании эхо-сигнала учитывается только существенный участок поверхности радиофизической сцены. Поэтому вначале необходимо определить границы этого участка, которые зависят от положения излучателя и приёмника РТС, ориентации максимумов их ДНА и параметров РТС (несущей частоты, разрешающей способности по времени и частоте).
Математическая модель эхо-сигнала основана на фацетном представлении радиофизической сцены. Поэтому далее необходимо поверхность сцены внутри границ существенного участка аппроксимировать фацетами. При этом для каждого фацета необходимо задать тип поверхности, соответствующий его геометрическим и электрическим свойствам. Выполнить данное действие можно используя геометрическую и электрическую модели сцены.
Согласно математической модели в формировании эхо-сигнала участвуют фацеты, облучаемые излучателем и не затенённые относительно приёмника РТС. Поэтому необходимо провести анализ видимости фацетов из мест установки антенн излучателя и приёмника РТС. Проверка видимости фацетов может быть выполнена в приближении геометрической оптики. При этом фацет будет являться видимым, если: - угол падения облучающей волны и угол рассеяния волны не превышают 90 градусов; - фацет не затеняется относительно излучателя и приёмника РТС другими фацетами.
Эхо-сигнал определяется с использованием коэффициентов передачи видимых фацетов сцены, задержек и допплеровских сдвигов частот сигналов, рассеянных фацетами. Поэтому необходимо выполнить расчёт данных параметров для всех видимых фацетов. При этом для расчёта коэффициента передачи фацета по формуле (1.2.10) нужно по характеристике рассеяния, соответствующей типу поверхности фацета, по углам места и углам азимута направлений облучения и рассеяния определить матрицу эффективной длины фацета, а также использовать характеристики антенн излучателя и приёмника РТС и модели их ДНА. Далее, в соответствии с разработанной моделью эхо-сигнала, необходимо выделить групповую составляющую задержек и допплеровских сдвигов частот сигнала и рассчитать парциальные задержки и допплеровские сдвиги частот сигналов отдельных фацетов. Поскольку групповая задержка и допплеровский сдвиг частоты эхо-сигнала являются переменными, необходимо также рассчитать параметры их изменения во времени. 6. Поскольку импульсная характеристика радиофизической сцены определяется с помощью МФС, далее необходимо сформировать МФС. Для этого нужно произвести квантование парциальных задержек и парциальных допплеровских сдвигов частот сигналов фацетов радиофизической сцены, выделить группы фацетов, имеющих одинаковые парциальные задержки и допплеровские сдвиги частоты, и рассчитать суммы комплексных коэффициентов передачи фацетов, входящих в группы.
Поскольку формирование эхо-сигнала осуществляется на основе переменной импульсной характеристики радиофизической сцены, необходимо выполнить расчёт совокупности её последовательных реализаций на интервале имитации. Для этого в соответствии с выражением (2.1.8) необходимо выполнить обратное преобразование Фурье (ОПФ) каждой строки МФС, результатом которого является совокупность реализаций соответствующей выборки импульсной характеристики. Столбцы матрицы, которая получается в результате данного преобразования, соответствуют, реализациям импульсной характеристики радиофизической сцены.
В заключение для формирования комплексной огибающей эхо-сигнала необходимо в соответствии с выражением (2.1.7) выполнить свёртку комплексной огибающей излучаемого РТС сигнала, задержанной на величину групповой задержки, с импульсной характеристикой радиофизической сцены и произвести смещение частоты полученного сигнала на величину группового допплеровского сдвига. Проведённый анализ разработанной математической модели эхо сигнала позволил определить совокупность исходных данных, которые необходимы для имитации эхо-сигнала. Эта совокупность включает координаты местоположения излучателя и приёмника РТС, вектора скоростей их движения, комплексные векторные ДНА излучателя и приёмника и направления ориентации их максимумов, частоту несущего колебания и комплексную огибающую излучаемого сигнала, значения разрешающей способности РТС по времени и частоте, геометрическую и электрофизическую модели радиофизической сцены, привязанные к географическим координатам, и модели матриц эффективных длин рассеяния для различных типов поверхности фацетов радиофизической сцены.
Модели ДНА излучателя и приёмника РТС могут быть заданы в виде математических функций или в виде таблиц, при этом первый вариант сопряжён с большим объёмом вычислений, чем второй. Поэтому для имитации эхо-сигнала в реальном масштабе времени необходимо использовать представление моделей ДНА излучателя и приёмника в виде таблиц значений с регулярным шагом по углу места и углу азимута. При малом шаге дискретизации углов места и азимута определение значения ДНА с высокой точностью может быть обеспечено методом ближайшего соседа, требующего минимального количества дополнительных вычислений. Однако в этом случае таблица модели ДНА имеет большие размеры, и для её хранения потребуется значительный объём памяти. При ограничениях , доступного объёма памяти таблица модели ДНА может быть построена с крупным шагом по углу места и углу азимута. При этом для обеспечения высокой точности значение ДНА должно определяться с использованием более сложных методов интерполяции: билинейной или бикубической. Аналогичным образом модели характеристик рассеяния для различных типов поверхности радиофизической сцены следует представить в форме таблиц значений эффективных длин рассеяния для различных значений углов места и углов азимута, определяющих направления облучения и рассеяния.
Определение интервала времени, на котором обеспечивается заданная точность моделирования эхо-сигнала
На основе полученных данных была выполнена оценка производительности вычислительных средств, которая позволит осуществить имитацию эхо-сигнала с требуемой точностью в реальном масштабе времени.
При 5% ошибке имитации количество фацетов, участвующих в формировании эхо-сигнала, составляет 1,5 107 4- 4,4 107 штук. При выполнении группировки сигналов фацетов объём вычислений, необходимый для обработки одного фацета, составляет 590 арифметических операций над числами с плавающей точкой. Величина интервала, на котором разработанная модель адекватно описывает эхо-сигнал, составляет 0,8 -5- 8,7 секунд с учётом того, что в реальных условиях перемещения приёмника РТС носят преимущественно горизонтальный характер. Тогда для расчёта параметров формирования эхо-сигнала в реальном масштабе времени требуется производительность 1,0-109 -г 3,3-1010 арифметических операций над числами с плавающей точкой в секунду, которая обеспечивается современными средствами вычислительной техники [81].
При 5% допустимой ошибке имитации эхо-сигнала длина импульсной характеристики радиофизической сцены составляет 250 -г 280 не. При полосе частот сигнала РТС не более 100 МГц длина импульсной характеристики радиофизической сцены не превышает 56 выборок, при этом для обработки каждой выборки tпри формировании эхо-сигнала требуется выполнить 8 арифметических операций. В результате для формирования сигнала в реальном масштабе времени необходима производительность до 9,Ы010 арифметических операций в секунду, которую обеспечивают современные средства цифровой обработки сигналов [82, 83].
Для РТС дистанционного зондирования, для которых длина импульсной характеристики (ИХ) радиофизической сцены доходит до 5000 выборок, расчёт выборок эхо-сигнала в реальном времени может быть выполнен при полосе частот сигнала до 28 МГц, а при меньшей длине ИХ - и для сигналов с полосой до 100 МГц. Таким образом, разработанная модель потенциально обеспечивает имитацию в реальном масштабе времени эхо-сигнала сложной радиофизической сцены с требуемой точностью с использованием современных аппаратных средств. 1. Получены зависимости изменения параметров формирования сигнала и ошибки моделирования от параметров разработанной модели, по которым могут быть определены условия имитации эхо-сигнала с требуемой точностью при заданных параметрах РТС. 2. Установлено, что разработанная модель эхо-сигнала обеспечивает уменьшение количества вычислений при моделировании в 50 - 730 раз при относительной ошибке моделирования 1,5 - 20 % в сравнении с известной моделью эхо-сигнала радиофизической сцены. 3. Разработанная модель потенциально обеспечивает имитацию в реальном масштабе времени эхо-сигнала сложной радиофизической сцены с требуемой точностью с использованием современных аппаратных средств. В данной главе осуществляются экспериментальные исследования возможности имитации эхо-сигналов сложных радиофизических сцен с заданной точностью в реальном масштабе времени с использованием современных аппаратных средств на основе разработанной модели эхо-сигнала и способа его имитации. Для этой цели разработан имитатор эхо-сигнала поверхности Земли. Разработка имитатора выполнена для РТС дистанционного зондирования (ДЗ) в режиме картографирования, которая представляет наиболее сложный случай для реализации ввиду большой длины импульсной характеристики (ИХ).
РТС ДЗ, для испытаний которой предназначен разрабатываемый имитатор, может осуществлять картографирование поверхности Земли в режимах секторного или секторно-телескопического обзора. Зондирование одного сектора (кадра) зоны обзора (карты), геометрия которого представлена на рис. 4.1, осуществляется когерентной пачкой радиоимпульсов с прямоугольной огибающей.
Зондирование одного кадра может осуществляться в режимах действительного луча (ДЛ) или синтезированной апертуры (СА) антенны, в которых параметры зондирующей пачки импульсов имеют разные значения. Некоторые технические характеристики РТС приведены в таблице 4.1.
В рассматриваемой РТС обеспечивается равновеликое линейное разрешение по дальности и азимуту. Поэтому сохранение постоянной угловой разрешающей способности РТС приводит к изменению линейного разрешения РТС по дальности и, следовательно, разрешающей способности по времени. Если интервал дискретизации ИХ радиофизической сцены будет фиксирован, то количество выборок ИХ будет изменяться в зависимости от разрешающей способности РТС по времени. В случае большого диапазона изменения разрешающей способности РТС это приведёт к неэффективному использованию ресурсов устройства ЦОС, на котором будет реализовываться формирующий КИХ-фильтр, или даже невозможности реализации требуемой длины ИХ на современной элементной базе. Если же интервал дискретизации ИХ радиофизической сцены будет изменяться в соответствии с изменениями разрешающей способности РТС по дальности, то количество выборок ИХ будет сохраняться постоянным при любом разрешении РТС. Таким образом, можно сформулировать рекомендацию, что при реализации имитатора для РТС с переменной разрешающей способностью по времени интервал дискретизации ИХ радиофизической сцены следует изменять пропорционально изменениям разрешающей способности РТС.
При выборе интервала дискретизации ИХ радиофизической сцены вдвое меньше разрешающей способности РТС по времени, количество выборок ИХ для рассматриваемой РТС ДЗ будет составлять 1024, а частота дискретизации ИХ будет равна полосе частот зондирующего сигнала. Производительность устройства ЦОС, которая необходима для реализации формирующего КИХ-фильтра с количеством выборок ИХ N и частотой их дискретизации /д, может быть вычислена по формуле:
Разработка имитатора эхо-сигнала для РТС дистанционного зондирования поверхности Земли
Имитатор эхо-сигнала поверхности Земли имеет следующий принцип работы. Зондирующий сигнал на промежуточной частоте через сигнальный вход поступает на АЦП, на выходе которого формируются выборки зондирующего сигнала с частотой дискретизации 112 МГц. Эти выборки поступают на квадратурный демодулятор с децимацией на 4, на выходе которого формируются выборки сигналов синфазной и квадратурной компонент зондирующего сигнала с частотой дискретизации 28 МГц. В отсутствие внешнего входного сигнала для работы имитатора может быть использован сигнал внутреннего генератора БФС. Сигнал внутреннего генератора имеет вид радиоимпульсов прямоугольной формы с частотой заполнения 28 МГц с возможностью внутриимпульсной модуляции фазы сигнала 13-элементным кодом Баркера. В случае работы от внутреннего генератора сигнала вход квадратурного демодулятора переключается с выхода АЦП на выход внутреннего генератора сигнала. Работа квадратурного демодулятора осуществляется так же, как в случае внешнего входного сигнала. Выборки квадратурных составляющих комплексной огибающей зондирующего сигнала поступают на формирователь огибающей; который формирует логический сигнал огибающей зондирующих импульсов. Сигнал устанавливается в активное состояние «1», если мгновенное значение огибающей импульса, вычисляемое из выборок синфазной и квадратурной составляющих зондирующего сигнала, превышает пороговое значение, и находится в пассивном состоянии «О» в противном случае.
Также выборки квадратурных составляющих зондирующего сигнала подаются на линию задержки и по активному уровню сигнала огибающей зондирующих импульсов сохраняются в памяти. Также по фронту сигнала огибающей происходит сброс счётчика и начало отсчёта задержки распространения сигнала до ближней границы кадра и обратно.
После отсчёта заданной задержки распространения сигнала выборки квадратурных составляющих сигнала считываются из памяти и с выхода линии задержки поступают в формирующий КРІХ-фильтр. На входе частота выборок комплексной огибающей сигнала понижается с 28 МГц до частоты дискретизации ИХ. Затем осуществляется свёртка квадратурных составляющих сигнала с ИХ формирующего КИХ-фильтра. На выходе путём интерполяции частота выборок квадратурных составляющих сигнала восстанавливается равной 28 МГц. С выхода формирующего КИХ-фильтра выборки квадратурных составляющих подаются на умножитель. Здесь они перемножаются с сигналом допплеровского смещения частоты, который формируется синтезатором частоты и обеспечивает сдвиг средней частоты сигнала кадра.
С выхода умножителя выборки квадратурных составляющих сигнала поступают на вход квадратурного модулятора с интерполяцией в 4 раза. Сигнал на выходе квадратурного модулятора представляет собой эхо-сигнал поверхности Земли на промежуточной частоте. Также массив выборок квадратурных составляющих сигнала записывается в буфер выборок.
Управление значениями задержки, допплеровского сдвига частоты и импульсной характеристики формирующего КИХ-фильтра осуществляется следующим образом. По фронту сигнала огибающей импульсов значения параметров для текущего импульса считываются из промежуточных регистров в линию задержки, синтезатор частоты и формирующий КИХ-фильтр, и формируется запрос на запись значений параметров для следующего импульса. Загрузка значений параметров формирования сигнала в соответствующие узлы БФС производится под управлением контроллера формирования сигнала в соответствии с текущим состоянием счётчика импульсов, значение которого инкрементируется по фронту сигнала огибающей импульсов.
Счётчик импульсов сбрасывается по срезу логического сигнала окончания пачки зондирующих импульсов. Переключение сигнала окончания пачки зондирующих импульсов осуществляется таким образом, чтобы счётчик импульсов оказался в состоянии 0 перед началом новой пачки зондирующих импульсов. При чтении состояния счётчика 0 контроллер формирования сигнала производит обмен буферов параметров формирования сигнала. Если к моменту обнуления счётчика импульсов загрузка нового набора параметров формирования в буфер не завершена, то замены буферов не происходит, и контроллер формирования сигнала генерирует сигнал ошибки. При этом формирование сигнала продолжается по старым значениям параметров.
Когда счётчик импульсов переключается в состояние 1 контроллер формирования сигнала генерирует событие начала нового кадра, которое поступает в модуль управления, синхронизации и контроля ВС. По данному событию происходит отслеживание положения кадра на карте, защёлкивание данных из буфера данных обстановки, запускается процесс расчёта набора параметров формирования сигнала. Также по событию начала нового кадра формируются команды всем модулям ВС передать результаты работы следующему модулю. Если в момент поступления данной , команды следующий модуль не готов принять данные, то формируется сообщение об ошибке, а данные, которые не могут быть записаны/теряются. { БФС функционирует синхронно с РТС ДЗ, формируя! сигнал «текущего» кадра. ВС работает в режиме конвейера с передачей результатов » на следующую стадию в момент начала нового кадра. Поэтому, для обеспечения бесперебойной имитации в модуле загрузки набора параметров формирования сигнала находятся данные, соответствующие кадру «текущий» + І, а в модуле расчёта набора параметров формирования данные, соответствующие кадру «текущий» .
Похожие диссертации на Имитация радиосигналов, рассеянных сложными радиофизическими сценами, в реальном масштабе времени
