Точностні характеристики цифрового вимірювача доплерівського зсуву частоти відбитих сигналів когерентної метеорологічної РЛС і шляхи їх поліпшення

Размещено на http://allbest.ru

Харківський національний університет радіоелектроніки

УДК 621.396.551.553

АВТОРЕФЕРАТ дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ТОЧНОСТНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЦИФРОВОГО ВИМІРЮВАЧА ДОПЛЕРІВСЬКОГО ЗСУВУ ЧАСТОТИ ВІДБИТИХ СИГНАЛІВ КОГЕРЕНТНОЇ МЕТЕОРОЛОГІЧНОЇ РЛС І ШЛЯХИ ЇХ ПОЛІПШЕННЯ

05.12.13 - Радіотехнічні пристрої та засоби телекомунікацій

Ленчук Дмитро Валерійович

Харків - 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі „Основи радіотехніки” Харківського національного університету радіоелектроніки, Міністерство освіти і науки України, м. Харків.

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор Кравченко Микола Іванович, Харківський національний університет радіоелектроніки, професор кафедри „Основи радіотехніки”

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Андрєєв Фелікс Михайлович,

Харківський військовий університет, професор кафедри тактики радіотехнічних військ ППО;

доктор технічних наук, професор Величко Анатолій Федорович,

Інститут радіофізики та радіоелектроніки НАН України, начальник відділу

Провідна установа:

Харківській національний аерокосмічний університет імені М.Є. Жуковського „ХАІ” Міністерство освіти і науки України

Захист відбудеться „26” березня 2003 р. об годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.052.03 при Харківському національному університеті радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, пр. Леніна 14, ауд. 13.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського національного університету радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, пр. Леніна 14.

Автореферат розісланий „24” лютого 2003 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої радиГ.І. Чурюмов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Підвищення вимог до оперативності і якості метеоінформації, що використовується для забезпечення безпеки польоту авіації, для прогнозування погоди і попередження про небезпечні явища природи, що насуваються, (урагани, шквали та ін.), викликає необхідність удосконалення метеорологічних радіолокаційних станцій (МРЛС).

Однією з найважливіших тактичних характеристик МРЛС є точність виміру швидкості вітру, вимоги до якої дуже жорсткі. На жаль, до дійсного часу питання визначення потенційної точності швидкості вітру через особливості метеосигналу, зв'язаних з їхнім випадковим характером, і теоретичної складності вивчені слабко.

У відомих роботах питання точності виміру швидкості вітру розглядалися лише в постановочному плані, при цьому погрішності, що зв'язані з кореляційними властивостями метеосигналів, з дією відбиттів від місцевих предметів при використанні пачок когерентних зондувальних сигналів, практично не вивчені.

Тому тема дисертації, яка присвячена дослідженню точнісних характеристик цифрового вимірювача доплерівського зсуву частоти відбитих сигналів когерентної метеорологічний РЛС і шляхів їхнього покращення, є актуальною.

Зв'язок робіт з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана відповідно до держбюджетної теми ХНУРЕ "Розпізнавання випадкових процесів і сигналів методами параметричного моделювання" (№ДР 0197UO12131 інв. № 97.01) і держбюджетною темою ХНУРЕ 122-1 "Контроль повітряного простору" 1999 - 2002р.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є визначення точнісних характеристик цифрового вимірювача доплерівського зсуву частоти метеосигналу, у значенні якого міститься інформація про швидкість вітру, і шляхів їхнього покращення. Для досягнення поставленої мети вирішуються наступні задачі:

- знаходження теоретичним шляхом співвідношення для граничної дисперсії оцінок регулярного доплерівського зсуву частоти метеосигналу (швидкості вітру) при використанні пачкового когерентного сигналу з метою вибору оптимальних параметрів і принципів побудови РЛС;

- дослідження погрішностей цифрового вимірювача частоти з урахуванням помилок дискретності методом імітаційного моделювання вимірювача, сигналів, перешкод і їхній аналіз з метою розробки рекомендацій з вибору таких параметрів доплерівських метеорологічних РЛС (ДМРЛС), як частота повторення зондувальних імпульсів, швидкість обертання антени, ширина діаграми спрямованості та ін.;

- дослідження можливостей зменшення помилок дискретності шляхом переходу від оцінок максимальної правдоподібності до інтерполяційних оцінок;

- дослідження точнісних характеристик при роботі в умовах наявності відбиттів від місцевих предметів;

- дослідження можливостей зменшення помилок виміру частоти при наявності відбиттів, що заважають, за рахунок використання замість схеми черезперіодної компенсації (ЧПК) фільтра верхніх частот зі смугою непрозорості, що дорівнює ширині спектра пасивних перешкод.

Об'єктом дослідження є процес виміру регулярного доплерівського зсуву частоти метеосигналів.

Предметом дослідження є точнісні характеристики цифрового вимірювача регулярного доплерівського зсуву частоти метеосигналу при роботі в умовах дії комбінованих перешкод.

Методи досліджень. Дослідження проводилися на основі використання статистичної теорії виявлення сигналів, статистичної теорії оцінок параметрів радіолокаційних сигналів, теорії імовірності, методів спектрального аналізу сигналів у сполученні з імітаційним моделюванням на ЕОМ.

Наукова новизна отриманих результатів:

1. Отримано співвідношення для розрахунку граничної дисперсії оцінок максимальної правдоподібності доплерівського зсуву частоти метеосигналу при використанні пачок когерентних радіоімпульсів, як функції відносини СИГНАЛ/ЗАВАДА, кількості імпульсів у пачці, кореляційних властивостей метеосигналу, періоду повторення зондувальних імпульсів, що необхідні при обґрунтованому виборі основних технічних параметрів РЛС, що проектується, (частоти повторення зондувальних радіоімпульсів, швидкість обертання антени, ширини діаграми спрямованості в горизонтальній і вертикальній площинах) при яких забезпечуються вимоги до точності виміру швидкості вітру (допустима середньоквадратична помилка СКП менша за 1м/с).

2. По знайдених співвідношеннях розраховані і побудовані графічні залежності середньоквадратичної помилки виміру регулярного доплерівського зсуву частоти метеосигналу від відношення сигнал/шум, коефіцієнта міжперіодної кореляції, кількості імпульсів у пачці, періоду повторення. З отриманих графічних залежностей видно, що необхідна точність може бути досягнута лише при обґрунтовано вибраних параметрах.

3. Для метеосигналів, що моделюються простим марківським процесом, методом математичного моделювання отримані і побудовані графіки залежності середньоквадратичної помилки оцінок доплерівського зсуву частоти від відношення сигнал/завада, кількості імпульсів у пачці, кількості частотних каналів цифрового фільтра, кореляційних властивостей метеосигналу. Отримані кількісні точнісні характеристики, що враховують помилки дискретності, становлять інтерес для розроблювачів РЛС.

4. Запропоновано вимірювач, у якому з метою зменшення помилок дискретності оцінки максимальної правдоподібності коректуються інтерполяційними поправками.

5. Експериментально, шляхом імітаційного моделювання, отримані точнісні характеристики цифрового вимірювача доплерівського зсуву частоти метеосигналу при наявності пасивних перешкод і використанні різних систем заглушення корельованих перешкод. На підставі отриманих результатів зроблені обґрунтовані рекомендації з використання рекурсивного фільтра верхніх частот замість схеми ЧПК, що забезпечує розширення інтервалу доплерівських частот метеосигналу, у якому вимірювач працездатний.

Практична цінність результатів дисертації. Проведені теоретичні дослідження і дослідження методом імітаційного моделювання дозволили визначити потенційні і реальні точнісні характеристики цифрових вимірювачів доплерівського зсуву частоти і зробити обґрунтовані рекомендації з їх поліпшення. Одержання теоретичних співвідношень для СКП виміру частоти, а також дані імітаційного моделювання дозволяють на етапі проектування ДМРЛС обґрунтовано вибирати такі параметри як частоту повторення зондуючого сигналу, тривалість імпульсів, швидкість обертання антени, ширину діаграми спрямованості, потужність зондувального сигналу, кількість фільтрів цифрового вимірювача, вибирати методи побудови систем.

Деякі результати дисертаційної роботи використані в навчальному процессі при проведені лабораторних занять по дисципліні „Статистична радіотехніка”

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати досліджень по темі дисертації доповідалися на семінарах кафедри ХНУРЭ, на 5-му Міжнародному молодіжному форумі "Радіоелектроніка і молодь у ХХІ столітті", а також на 7-й і 8-й Міжнародній конференції "Теорія і техніка передачі, прийому й обробки інформації".

Публікації. За результатами дисертаційної роботи опубліковано 10 робіт, у тому числі 4 наукові статті в спеціалізованих виданнях ВАК України, матеріали для 2-х звітів по НДР, 2 статті в збірниках наукових праць, 1 тези доповіді на міжнародному молодіжному форумі, а також отримано декларативний патент на спосіб зменшення помилок дискретності.

Особистий внесок здобувача в роботах, що виконані в співавторстві. У роботах, виконаних у співавторстві, здобувачу належать розробка алгоритмів і програм моделювання метеосигналів, флуктуаційних шумів, корельованих перешкод, розробка моделі цифрового вимірювача частоти з квадратурними каналами, алгоритму обробки даних, розробка методики та алгоритму знаходження інтерполяційних оцінок, дослідження точнісних характеристик цифрового вимірювача методом імітаційного моделювання, розробка рекомендацій з обґрунтованого вибору параметрів ДМРЛС.

Структура та обсяг дисертації. Робота складається з вступу, 5-и розділів, висновку, списку використаних джерел з 43 найменувань і 10 додатків.

Загальний обсяг дисертації включає 126 сторінок основного тексту, 49 малюнків, всього 173 стор.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовується актуальність роботи, формулюються основні задачі, описуються проблеми. Показано наукову новизну і практичне значення отриманих результатів.

У першому розділі формулюються основні вимоги, що ставляться до ДМРЛС, приводиться вибрана математична модель метеосигналу, робиться коротка характеристика методів виміру частоти, висвітлюються достоїнства і недоліки періодограмного, корелограмного, параметричного, автоковаріаційного методів виміру частоти.

Обґрунтовується вибір періодограмного методу вимірювання частоти, як найбільш прийнятного для оцінки регулярного доплерівського зсуву частоти відбиттів зондуючого сигналу від метеоутворень, оскільки такий метод вимагає менших обчислювальних витрат у порівнянні з корелограмним і параметричним методом, а також дає можливість одержання спектра метеосигналу, що може стати у нагоді при розпізнаванні метеоутворень.

У свою чергу, застосування автоковаріаційного методу виміру частоти ускладнено через протяжний характер метеоутворень, що веде до можливого накладення відбитих сигналів.

Розглядаються особливості побудови цифрового вимірювача частоти, досліджуваного в дисертації, що реалізує періодограмний метод виміру частоти.

У другому розділі для окремого випадку, коли метеосигнал представляється простим марківським процесом, теоретичним шляхом знаходяться співвідношення для дисперсії погрішностей оцінки максимальної правдоподібності регулярного доплерівського зсуву частоти метеосигналу, по яких розраховуються і будуються графіки залежностей середньоквадратичної помилки оцінки частоти як функції відносини сигнал/шум, коефіцієнта міжперіодної кореляції (ширини спектра низькочастотних флуктуацій) метеосигналу, тривалості пачки. Аналізуються отримані залежності.

Для оцінок максимальної правдоподібності, що одержуємо при використанні багатоканального цифрового вимірювача, нижня границя дисперсії неенергетичного параметру відповідно до нерівності Рао-Крамера виражається співвідношенням:

(1)

Для сигналу з випадковою амплітудою і початковою фазою відношення правдоподібності

.

метеорологічний радіолокаційний доплерівський

Якщо щільність імовірності для амплітуди описується законом Релея, а для фази - рівномірним, що справедливо для нормально розподілених випадкових сигналів, то

Оскільки відношення правдоподібності належить до експонентного класу функцій, то оцінка скалярного параметру є ефективною, тобто

(3)

При прийомі сигналу з випадковою амплітудою і початковою фазою є кореляційний інтеграл, значення якого можна представити у виді модуля комплексного кореляційного інтегралу.

Далі будемо вважати, що і при обробці метеосигналу модуль кореляційного інтегралу обчислюється аналогічно з використанням опорного сигналу (4). З урахуванням того, що

(5)

маємо (6)

(6)

З метою спрощення зробимо перетворення, з врахуванням (6)

, (7)

де - час спостереження сигналу. Враховуючи, що

.

Співвідношення (7) може бути представлене у вигляді:

З урахуванням фільтруючої властивості дельта-функції, маємо

(8)

Враховуючи, що метеосигнал представляє із себе простий марківський процес, кореляційна функція якого має експоненціальний вигляд та після підстановки (2) і (8) у співвідношення (3) і проведення громіздких перетворень, обмежуючись першими шістьма членами розкладання в ряд функції кореляції, можна одержати для граничної дисперсії оцінки регулярного доплерівського зсуву частоти при обробці пачки когерентних радіоімпульсів з періодом повторення , наступний вираз:

,(9)

де qІ - параметр виявлення.

Для типового випадку, коли qІ > 1, N > 1, вираз (9) можна спростити:

.(10)

З отриманого простого співвідношення видно, що безпосередньо потенційна погрішність виміру доплерівської частоти метеосигналу від тривалості імпульсу не залежить.

Однак з ростом тривалості імпульсу збільшується розмір імпульсного обсягу і відповідно ефективна площина розсіювання гідрометеорів імпульсного обсягу. З цієї причини навіть при фіксованій енергії зондувального імпульсу буде зростати величина параметра виявлення qІ і відповідно знижуватися значення СКП. Однак при наявності нестаціонарності з ростом тривалості імпульсу буде погіршуватися не тільки розрізнювальна здатність по дальності, але і точність видачі інформації по частоті. Очевидно, вибір тривалості імпульсу потрібно робити з умови забезпечення необхідної розрізнювальної здібності по дальності.

Як і слід очікувати, величина коефіцієнта міжперіодної кореляції метеосигналу (чи відповідно ширина спектра низькочастотних флуктуацій , яка при апроксимації метеосигналу простим марківським процесом ) істотно впливає на особливо при великих тривалостях пачки. Так, для параметра виявлення , періоді повторення , видно, що при зміні від значення до середньоквадратична помилка зростає від до (майже у десять разів).

Зі збільшенням числа імпульсів у пачці (), похибки виміру регулярного доплерівського зсуву частоти, як і слід очікувати, зменшуються. Причому, якщо для детермінованого сигналу середньоквадратична помилка обернено пропорційна тривалості імпульсу, то у випадку метеосигналу СКП істотно залежить від тривалості пачки поки порівняно мало. Так, при , при використанні пачки з погрішність практично не зменшується. Збільшення тривалості пачки понад зазначену величину недоцільно, оскільки це може привести навіть до зниження точності через некорельованості окремих частин сигналу, що оброблюється.

Характер цієї залежності потрібно враховувати при виборі тривалості пачки зондувального сигналу, що оброблюється. Як відомо з експлуатації РЛС ПВО, коефіцієнт міжперіодної кореляції метеосигналов навіть при роботі в сантиметровому діапазоні при складає величину не меншу за , при який коефіцієнт заглушення перешкод від хмар складає и більше. Таким чином, без урахування обмеження на час огляду кількість імпульсів у пачці можна вибирати величиною до 30-40. При періоді огляду всієї зони тривалістю 7-10 хв. кількість імпульсів у пачці, з урахуванням необхідності усунення неоднозначності виміру швидкості шляхом випромінювання пачок з різними частотами повторення, не може перевищувати 10-20 імпульсів у пачці. При , що порівняно близько до гранично припустимих помилок.

Третій розділ присвячений питанням розробки алгоритмів і програм для моделювання корельованих відбиттів від місцевих предметів, флуктуаційного шуму, метеосигналу, цифрового рекурсивного фільтра і схеми ЧПК, цифрового вимірювача, а також розробці алгоритмів і програм перевірки відповідності статистичних параметрів створених випадкових послідовностей необхідним і алгоритму розрахунку середньоквадратичної помилки оцінок частоти за результатами вимірів.

1. Модель флуктуаційного шуму. Як і звичайно, вважалося, що флуктуаційний шум є нормально розподіленою випадковою величиною, квадратурні дискретні складові якої обчислювалися по співвідношеннях

де - рівномірно розподілені випадкові величини в інтервалі , - дисперсія флуктуаційного шуму.

По розроблених програмах обчислювалися вибіркові середні значення і дисперсія , які порівнювалися з заданими.

2. Модель відбиттів від місцевих предметів. Пасивні перешкоди при когерентному зондувальному сигналі є корельованими. Такі відбиття можна моделювати за допомогою процесів авторегресії порядку, параметри яких можна знайти по відомих коефіцієнтах кореляції перешкоди , , …, , вирішуючи систему рівнянь Юла-Уокера. Корельована перешкода в роботі моделювалася за допомогою скалярного процесу авторегресії першого порядку:

,

де - незалежні відліки породжуючого шуму для яких

, .

Для процесу авторегресії першого порядку параметр зв'язаний з коефіцієнтом міжперіодної кореляції процеса співвідношенням .

Дисперсія відбиттів, що заважають

,

і відповідно

.

Квадратурні складові відбиттів від місцевих предметів

,

де , .

3. Модель відбиттів від метеоутворень. Метеосигнал у роботі моделювався векторним процесом авторегресії першого порядку, відліки якого обчислювалися по співвідношенню:

,

де параметр процесу авторегресії зв'язаний з коефіцієнтом міжперіодної кореляції співвідношенням ; - набіг фази за період повторення, обумовлений регулярним доплерівським зсувом частоти

, .

Дисперсія породжуючого шуму зв'язана з дисперсією метеосигналу співвідношенням

4. Модель цифрового вимірювача. Дальність до виділеного імпульсного обсягу визначається часом затримки строба щодо зондувального імпульсу.

Вимірювач містить набір взаємно розстроєних по частоті погоджених із прийнятим сигналом фільтрів. При кореляційно-фільтровій обробці смуга пропущення кожного фільтра вибирається за допомогою співвідношення

,

де - число імпульсів у пачці.

Можна показати, що операції, що здійснюються при когерентному накоплені пачок сигналів набором фільтрів багатоканального вимірювача частоти, описуються дискретним перетворенням Фур'є.

У цифровому вимірювачі операції здійснюються над квадратурними складовими аддитивной суміші метеосигналу, флуктуаційного шуму і пасивної перешкоди. Амплітуди різних частотних складових

,

де - число частотних каналів, ,

- частота повторення), що обчислюються при ДПФ, подаються на схему вибору максимуму, що видає як оцінку значення частоти каналу , у який амплітуда максимальна. Якщо вимірювач оцінку максимальної правдоподібності коректує інтерполяційною поправкою , то на схему розрахунку поправки й оцінки подаються значення частоти каналу , а також амплітуди , , . При апроксимації спектра когерентної пачки радіоімпульсів параболою інтерполяційна поправка розраховується по співвідношенню

.

Знайдені інтерполяційні оцінки частоти подаються на схему обчислення дисперсії помилок оцінки частоти

.

Число вимірів по яким знаходилася вибіркова дисперсія , вибиралося рівним 50, 100.

Четвертий розділ. Погрішності цифрового вимірювача частоти більше потенційних. Однією з домінуючих складових сумарної помилки цифрового вимірювача може бути помилка дискретності.

Методом математичного моделювання отримані і побудовані залежності середньоквадратичної помилки виміру регулярного доплерівського зсуву частоти від кількості імпульсів у пачці, кореляційних властивостей метеосигналу, числа частотних каналів, періоду повторення оброблюваних імпульсів, від відношення .

Помилка дискретності оцінки максимальної правдоподібності досягає великої величини

,

де - розстройка між сусідніми фільтрами.

Порівняння отриманих залежностей погрішностей виміру від зазначених вище факторів з урахуванням помилок дискретності з залежностями граничних погрішностей показало їхню близькість, що підтверджує правильність співвідношень, отриманих теоретичним шляхом.

У п'ятому розділі приведено результати дослідження методом математичного моделювання точнісних характеристик частоти при наявності відбиттів, що заважають.

Проведені дослідження показали, що при наявності навіть слабких відбиттів, що заважають, коли вони переважають корисний сигнал усього в два рази, вимірювач частоти стає непрацездатним. У зв'язку з чим, перед виміром частоти сигналу необхідно здійснювати заглушення перешкод.

Використання для заглушення відбиттів, що заважають, схеми ЧПК забезпечує надійну компенсацію перешкод. Однак при порівняно невеликих частотах Доплера метеосигналів останні, проходячи схему ЧПК, істотно послаблюються (коефіцієнт проходження ). Унаслідок цього погрішності оцінок частоти сигналів, частоти яких близькі до нуля, при цьому істотно зростають.

Враховуючи, що ширина спектра низькочастотних флуктуацій відбиттів від земної та водної поверхні складає кілька герц, зменшити зону непрозорості можна шляхом використання замість схеми ЧПК рекурсивного фільтра верхніх частот зі смугою непрозорості рівній ширині спектра пасивної перешкоди.

Як видно з отриманих залежностей помилок виміру частоти при використанні еліптичного фільтра, зона непрозорості фактично пропадає.

На підставі проведених досліджень зроблений висновок про доцільність використання замість схем ЧПК еліптичних фільтрів, що забезпечують заглушення перешкод і характеризуються малою зоною непрозорості.

ВИСНОВКИ

1. Задоволення високих вимог до точності виміру швидкості вітру доплерівськими МРЛС вимагає проведення теоретичних досліджень граничної дисперсії оцінок виміру регулярного доплерівського зсуву частоти, без чого неможливо здійснити оптимізацію параметрів доплерівської МРЛС, що проектується. Особливості рішення зазначеної задачі, насамперед, зв'язані з випадковим характером метеосигналу. У роботі вперше на підставі використання положень статистичної теорії оцінок параметрів сигналів отримані співвідношення для розрахунку дисперсії оцінок регулярного доплерівського зсуву частоти метеосигналу при використанні пачок когерентних зондувальних імпульсів як функції відносини , кількості імпульсів у пачці, кореляційних властивостей метеосигналу, періоду повторення зондувальних сигналів.

2. По знайдених співвідношеннях зроблені важливі для розроблювачів при виборі принципів побудови і параметрів ДМРЛС, що проектуються, графічні залежності середньоквадратичної помилки виміру регулярного доплерівського зсуву частоти метеосигналу від відношення сигнал/шум, коефіцієнта міжперіодної кореляції, кількості імпульсів у пачці, періоду повторення зондувальних імпульсів.

3. Методом імітаційного моделювання цифрового багатоканального вимірювача і метеосигналів, що представляються простим марківським процесом, отримані і побудовані графіки залежності середньоквадратичної помилки оцінок доплерівського зсуву частоти від відношення , кількості імпульсів у пачці, кількості частотних каналів цифрового фільтра, кореляційних властивостей метеосигналу. Отримані кількісні точнісні характеристики, що враховують помилки дискретності, становлять інтерес для розроблювачів РЛС. Установлено, що при наявності обмежень на час огляду простору, коли число імпульсів у пачці складає усього 8-16, при виборі частотних каналів помилки дискретності можуть бути домінуючими і настільки великими, що вимоги до точності виміру швидкості вітру задоволені бути не можуть.

4. Запропоновано вимірювач (на який отримано патент), у якому з метою зменшення помилок дискретності знаходяться інтерполяційні оцінки доплерівського зсуву частоти, погрішності яких практично не залежать від величини частоти, що вимірюється. Реалізація запропонованого вимірювача приводить до підвищення точності виміру частоти.

5. Проведені дослідження методом імітаційного моделювання точнісних характеристик вимірювача частоти при наявності відбиттів, що заважають, показали, що навіть при подвійному перевищенні потужності відбиттів від земної і водяної поверхні над потужністю відбиттів від метеоутворень, вимірювач частоти стає непрацездатним. Використання на вході вимірювача схеми ЧПК дозволяє послабити дію пасивних перешкод. Однак, при цьому корисний сигнал, проходячи схему ЧПК також послабляється, через що в значному діапазоні частот , що примикають до , погрішності виміру частоти, обумовлені малим відношенням СИГНАЛ/ШУМ великі. З урахуванням того, що спектр низькочастотних флуктуацій складає усього декілька герц, у роботі пропонується використовувати як обілюючий фільтр рекурсивний фільтр верхніх частот, через що зона зменшується до .

ПУБЛІКАЦІЇ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Кравченко Н.И., Ленчук Д.В. Предельная точность измерения доплеровского смещения частоты метеосигнала при использовании пачки когерентных сигналов. К.: Известия вузов. Серия радиоэлектроника, -2001. -т. 44. -№ 7. -С. 68-80.

2. Ленчук Д.В. Предельная точность измерения доплеровского смещения частоты метеосигнала при использовании пачки когерентных сигналов. 5-й Международный молодежный форум “Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке”. - Х.: ХТУРЭ, 2001. - 468 с. -C. 71-72

3. Кравченко Н.И., Ленчук Д.В. Средний квадрат результирующей погрешности многоканального измерителя параметров сигналов с учетом дискретной и случайной составляющих. //Радиотехника: Всеукр. межвед. науч.- техн. сб. 2002. вып. 129. -C. 54-58

4. Декларативний патент. Кравченко Н.И., Ленчук Д.В. Цифровий спосіб виміру частоти по дискретним відлікам пачки когерентних сигналів. №51214А (G01R23/167) пріоритет від 01.02.2002. Бюлетень №11.

5. Кравченко Н.И., Ленчук Д.В. Точностные характеристики цифрового измерителя доплеровского смещения частоты метеосигнала при работе в условиях воздействия отражений от местных предметов.// Радиотехника: Всеукр. межвед. науч.- техн. cб., 2002, вып. 130. -C. 97-106

6. Ленчук Д.В. Точность измерения доплеровского смещения частоты метеосигнала при наличии пассивных помех и пути ее повышения. 7-я Международная конференция “Теория и техника передачи, приема и обработки информации”: Сб. научных трудов. - Х.: ХТУРЭ, 2001. - 483 с. -С. 122-123.

7. Кравченко Н.И., Ленчук Д.В. Сравнение точностных характеристик различных цифровых многоканальных измерителей доплеровского смещения частоты метеосигналов при наличии мешающих отражений. 8-я Международная конференция “Теория и техника передачи, приема и обработки информации”: Сб. научных трудов. - Х.: ХТУРЭ, 2002. -483 с. -С. 297-299.

8. Кравченко Н.И., Ленчук Д.В. Погрешности цифрового измерителя частоты метеосигнала, полученные методом математического моделирования. Радиотехника: Всеукр. межвед. науч.- техн. сб., 2001, вып. 122, с. 116-126.

АНОТАЦІЯ

Ленчук Д.В. Точнісні характеристики цифрового вимірювача доплерівського зсуву частоти відбитих сигналів когерентної метеорологічної РЛС і шляхи їх поліпшення. -Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю. 05.12.13 - Радіотехнічні пристрої та засоби телекомунікацій. Харківський національний університет радіоелектроніки, Харків, 2003.

У дисертаційній роботі були проведені теоретичні дослідження і дослідження методом імітаційного моделювання, що дозволили визначити потенційні і реальні точнісні характеристики цифрових вимірювачів доплерівського зсуву частоти і зробити обґрунтовані рекомендації з їх поліпшення.

Одержання теоретичних співвідношень для середньоквадратичної помилки виміру частоти, а також дані імітаційного моделювання дозволяють на етапі проектування ДМРЛС обґрунтовано вибирати такі параметри як частоту повторення зондуючого сигналу, тривалість імпульсів, швидкість обертання антени, ширину діаграми спрямованості, потужність зондувального сигналу, кількість фільтрів цифрового вимірювача, вибирати методи побудови систем.

Запропоновано вимірювач, у якому з метою зменшення помилок дискретності оцінки максимальної правдоподібності коректувалися інтерполяційними поправками.

Методом імітаційного моделювання отримані середньоквадратичні помилки оцінок доплерівського зсуву частоти метеосигналу багатоканальним цифровим вимірювачем при наявності відбиттів від місцевих предметів.

На підставі отриманих результатів зроблені обґрунтовані рекомендації з використання замість схеми ЧПК рекурсивного фільтра верхніх частот, що забезпечує розширення діапазону доплерівських частот метеосигналу, у якому вимірювач працездатний.

Ключові слова імітаційне моделювання, регулярний доплерівський зсув частоти метеосигналу, середньоквадратична помилка оцінки частоти, інтерполяційна поправка, рекурсивний фільтр.

АННОТАЦИЯ

Ленчук Д.В. Точностные характеристики цифрового измерителя доплеровского смещения частоты отраженных сигналов когерентной метеорологической РЛС и пути их улучшения. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.12.13 - Радиотехнические устройства и средства телекоммуникаций. Харьковский национальный университет радиоэлектроники, Харьков, 2003.

Повышение требований к оперативности и качеству метеоинформации, используемой для обеспечения безопасности полета авиации, для прогнозирования погоды и предупреждения о надвигающихся опасных явлениях природы (ураганы, шквалы и др.), вызывает необходимость совершенствования метеорологических радиолокационных станций (МРЛС).

Одной из важнейших тактических характеристик МРЛС является точность измерения скорости ветра, требование к которой весьма жесткое. К сожалению, к настоящему времени вопросы определения потенциальной точности скорости ветра из-за особенностей метеосигнала, связанных с их случайным характером, и теоретической сложности изучены слабо. В известных работах вопросы точности измерения скорости ветра рассматривались лишь в постановочном плане, при этом погрешности, связанные с корреляционными свойствами метеосигналов, с мешающим действием отражений от местных предметов при использовании пачек когерентных зондирующих сигналов, практически не изучены.

В работе теоретическим путем для случая, когда метеосигнал представляется простым марковским процессом, находятся соотношения для дисперсии погрешностей оценки максимального правдоподобия регулярного доплеровского смещения частоты метеосигнала. По найденным соотношениям рассчитываются и строятся графики зависимостей среднеквадратической ошибки оценки частоты от отношения СИГНАЛ/ШУМ, количества импульсов в пачке, коэффициента междупериодной корреляции, проводится их анализ, из которого следует вывод, что требуемая точность может быть достигнута лишь при обоснованно выбранных на этапе проектирования ДМРЛС принципов построения и основных технических параметров.

Приводятся результаты исследований методом имитационного моделирования погрешностей измерения регулярного доплеровского смещения частоты метеосигнала цифрового измерителя. Изучаются погрешности, обусловленные дискретностью съема информации и пути их уменьшения. Предложенный измеритель, в котором с целью уменьшения ошибок дискретности оценки максимального правдоподобия корректировались интерполяционными поправками. При этом погрешности оценок частоты практически не зависят от величины измеряемой частоты.

Полученные зависимости среднеквадратических значений суммарных погрешностей измерения частоты необходимы при оценке точностных характеристик измерителя с заданными параметрами сигналов, помех и измерителя.

Методом имитационного моделирования получены среднеквадратические ошибки оценок доплеровского смещения частоты метеосигнала многоканальным цифровым измерителем при наличии отражений от местных предметов. Проведенные исследования показали, что при наличии даже слабых мешающих отражений, превосходящих полезный сигнал всего в два раза, измеритель частоты максимального правдоподобия становится неработоспособным. В связи с чем перед измерением частоты сигнала необходимо осуществлять подавление помех. На основании полученных результатов сделаны обоснованные рекомендации по использованию в качестве обеляющего фильтра вместо схемы ЧПК рекурсивного фильтра верхних частот, что обеспечивает расширение диапазона доплеровских частот метеосигнала, в котором измеритель работоспособен.

Проведенные теоретические исследования и исследования методом имитационного моделирования позволили определить потенциальные и реальные точностные характеристики цифровых измерителей доплеровского смещения частоты и сделать обоснованные рекомендации по их улучшению. Получение теоретических соотношений для СКО измерения частоты, а также данные имитационного моделирования позволяют на этапе проектирования ДМРЛС обоснованно выбирать такие параметры как частоту повторения, зондирующего сигнала, длительность импульсов, скорость вращения антенны, ширину диаграммы направленности, мощность зондирующего сигнала, количество фильтров цифрового измерителя, выбирать методы построения систем.

Ключевые слова марковский процесс, максимальное правдоподобие, регулярное доплеровское смещение частоты метеосигнала, среднеквадратическая ошибка оценки частоты, интерполяционная поправка, рекурсивный фильтр.

ABSTRACT

Lenchuck D.V. The accuracy attributes of digital measurer the Doppler frequency shift of the reflected signals of coherent meteorological radar and ways of their improvement. - The manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of Cand.Tech.Sci. on a speciality 05.12.13 - Radio engineering devices and means of telecommunications. The Kharkov national university of radioelectronics, Kharkov, 2003.

The lead theoretical researches and researches by a method of imitating modelling have allowed to define potential and real accuracy attributes of digital measuring instruments Doppler displacement of frequency and to make the proved recommendations of their improvement. Derived theoretical expressions for mean-root-square errors of measurement of frequency, and also the data of imitating modelling allow to choose at a design stage of providing a radar such parameters as frequency of recurrence of a probing signal, duration of pulses, speed of rotation of the aerial, width of the diagram of an orientation, capacity of a probing signal, amount of filters of a digital measuring instrument, allow to choose methods of construction of systems.The proposed measuring instrument in which with the purpose of reduction of mistakes discrete estimations of the maximal likely were corrected by interpolational amendments. Mean-root-square errors of estimations Doppler shift of frequency of a meteorological signal are obtained by a multichannel digital measuring instrument at presence of reflections from local subjects by method of mathematical modelling. On the basis of the received results the proved recommendations on use as whitewash filter instead scheme of subtraction of the recursive filter that provides expansion of a range Doppler frequencies of a meteorological signal in which the measuring instrument is efficient are made.

Keywords regular Doppler shift of frequency of a meteorological signal, mean-root-square error of an estimation of frequency, interpolational amendments, recursive filter.

Размещено на Allbest.ru