Макияж. Уход за волосами. Уход за кожей

На основе анализа тактических требований определяются пер­спективы развития радиолокационных средств и производящей их промышленности, планируются исследования в области радиоло­кации и радиоэлектроники. Реализация тактических требований ограничивается возможностями производства, достигнутым уровнем развития техники, технологии и науки. Исходя из этого, припроектировании новых РЛС к ним предъявляются тактико-техни­ческие требования.

Под тактико-техническими требованиями (ТТТ) понимают ко­личественные значения основных характеристик РЛС с учетом так­тических требований, современного состояния науки, техники, воз­можностей промышленности и экономических возможностей госу­дарства.

РЛС, состоящие на вооружении, характеризуются тактико-тех­ническими данными (ТТД), представляющими собой количествен­ные значения основных характеристик конкретного образца РЛС для средних условий его боевого использования иэксплуатации. Они определяются в результате тщательной экспериментальной проверки образцов данного типа РЛС. Количественно ТТД могут совпадать или несколько отличаться от ТТТ.

Тактико-технические данные определяют боевые возможности РЛС изаносятся в ее формуляр. Задача личного состава, эксплуа­тирующего РЛС, - поддерживать технические параметры станции на уровне, обеспечивающем реализацию ТТД.

Систему показателей, используемых для оценки боевых воз­можностей РЛС и проведения тактических расчетов, принято на­зывать тактическими характеристиками РЛС. Основными из них являются:

состав выдаваемой информации;

зона обзора (форма зоны и ее параметры);

точность выдаваемой информации;

разрешающие способности по измеряемым координатам;

информационная способность;

дискретность выдачи данных;

помехозащищенность;

надежность;

электромагнитная совместимость;

маневренные характеристики (время развертывания и сверты­вания, время включения и выключения, мобильность и т. д.).

1.2. СОСТАВ РАДИОЛОКАЦИОННОЙ ИНФОРМАЦИИ

Состав информации определяется, главным образом, требова­ниями потребителей информации и решаемыми ими задачами. Для обеспечения беспоискового захвата цели станциями наведения ра­кет в состав радиолокационной информации должны входить дан­ные о пространственных координатах цели. При решении задач наведения авиации необходима информация о пространственных координатах как цели, так и истребителя.

Наиболее удобной для представления информации о местопо­ложении воздушных объектов в пространстве является прямо­угольная система координат . В ней проще производить преобразование координат в единую для группировки средств сис­тему, отождествлять и объединять информацию, получаемую от нескольких источников. Однако устройства обработки сигналов в РЛС позволяют измерять иотображать информацию либо в сфе­рической , либо в цилиндрической системах коор­динат. При необходимости преобразование координат в прямо­угольную систему производится в системе обработки информации.

Для оценки воздушной обстановки и решения задач боевого управления средствами ПВО помимо пространственных координат целей необходима информация о принадлежности обнаруженных объектов (государственной, ведомственной и индивидуальной), применении и характере создаваемых противником помех, курсе и скорости полета целей.

Используемые в настоящее время зондирующие сигналы и ме­тоды обработки отраженных сигналов не позволяют по виду по­следних опознавать обнаруженные объекты. Эта задача возлага­ется на специальную систему радиолокационного опознавания (СРЛО), представляющую собой комплекс наземной и бортовой аппаратуры, обеспечивающий опознавание государственной при­надлежности объектов в масштабе Вооруженных Сил на основе единой системы кодирования сигналов . Сведения о курсе и ско­рости полета цели могут быть получены после вторичной обработ­ки радиолокационной информации.

При определении наряда сил и средств ПВО, необходимых для успешного решения боевой задачи, нужно иметь данные о коли­чественном составе целей, участвующих в ударе. Для получения такой информации РЛС должны обладать высокой разрешающей способностью по координатам, обеспечить которую не всегда пред­ставляется возможным. Поэтому практически к большинству РЛС предъявляются требования выдачи данных о характере обнару­женной цели (одиночная или групповая) и лишь приближенных данных о количественном составе. Точные данные о количествен­ном составе целей получают от других средств разведки или от специализированных РЛС.

Таким образом, в общем случае информация, выдаваемая РЛС, должна включать:

пространственные координаты целей;

государственную и индивидуальную принадлежность;

характеристику цели (одиночная или групповая) и по возмож­ности количественный состав групповой цели;

виды создаваемых помех и их интенсивность.

1.3. ЗОНА ОБЗОРА

Зоной обзора РЛС называется область пространства, в преде­лах которой РЛС обеспечивает получение радиолокационной ин­формации о цели с заданным средним значением эффективной по­верхности с качеством не ниже требуемого.

Под качеством РЛ информации в данном случае понимают со­вокупность следующих показателей:

вероятности правильного обнаружения и ложной тревоги (ка­чество обнаружения);

точности информации и дискретности ее выдачи.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

• Введение
• 2. Системы ЦОС
• 3. Оптоволокно

• 4. Гигабитный Ethernet(1000base-T)28
• 5. VPX стандарт
• Заключение
• Список литературы
• Введение
• Радиолокация - область радиоэлектроники, занимающаяся применением радиоволн для обнаружения, определения координат и измерения параметров движения различных объектов. Все объекты наблюдения в радиолокации называются целями. К ним относятся, например, корабли, самолёты, танки и др. Операции, выполняемые в радиолокации для обнаружения целей, измерения их координат и параметров движения, называются радиолокационным наблюдением.
• Структура радиолокационного канала. Она включает в себя собственно РЛС, носитель РЛС, среду распространения радиоволн, группу объектов, систему навигации и систему индикации и управления каналом (рис.%). Все эти элементы структуры участвуют в процессе обнаружения и определения характеристик заданных объектов.
• Группа объектов состоит из заданных объектов (целей), вспомогательных объектов (ориентиров), сопутствующих объектов (фона), объектов излучающих или переизлучающих помеховые сигналы (источников помех).
• Цели - заданные объекты, которые могут иметь различную физическую природу: воздушные цели (самолёты, ракеты, облака, дождь, турбулентности атмосферы и т.п.), наземные цели (скопление войск и отдельные виды техники, взлётные полосы аэродромов и сельскохозяйственные угодья, инженерные сооружения и дороги и т.п.), морские цели (корабли, ледовые поля, морская поверхность).
• Ориентиры - вспомогательные объекты, которые помогают решать основную задачу обнаружения и определения характеристик целей. Так, например, ориентир - объект с известными координатами - используется для высокоточного определения координат целей, расположенных вблизи от этого объекта. Фон - сопутствующие объекты, которые обычно препятствуют обнаружению целей. Так, если малоразмерная цель наблюдается на фоне подстилающей (земной) поверхности, то фон маскирует цель. Сигнал от фона намного превышает сигнал от цели, что требует особой системы обработки сигналов для подавления сигнала фона и выделения сигнала цели.

Размещено на http://www.allbest.ru/

• Рисунок 1. Структура радиолокационного канала.
• радиолокационный канал оптический волокно
• Активные и пассивные источники помех являются объектами, которые излучают или переизлучают сигналы, мешающие обнаружению сигналов цели. Помехи обычно используются в процессе радиоэлектронной борьбы, однако они могут быть и непреднамеренными (естественными), например в виде излучения других радиопередающих устройств. Пассивные помехи создаются специальными отражателями (облака диполей, аэрозолей и других образований), отражения от которых маскируют сигналы целей.
• Среда распространения радиоволн - пространство между РЛС и объектом. Обычно считается, что электромагнитная волна от объекта до РЛС распространяется прямолинейно и с постоянной скоростью. Наличие неоднородности среды (коэффициента преломления) вносит ошибки в процесс измерения характеристик цели, а потери энергии вследствие поглощения в среде приводят к уменьшению дальности обнаружения целей. Поэтому при решении радиолокационных задач требуется учитывать характеристики среды распространения.
• РЛС - включает в себя собственно аппаратуру РЛС («железо») и программное обеспечение (ПО) работы РЛС. Аппаратура РЛС включает в себя следующие основные блоки:
• антенные и приёмо-передающие модули. Антенно-фидерные устройства модулей обеспечивают направленное излучение и приём радиоволн с учётом их поляризации. Передающие модули обеспечивают усиление, амплитудную и фазовую модуляцию радиочастотных колебаний. Приёмные модули обеспечивают малошумящее усиление и преобразование частоты принимаемых радиочастотных колебаний;
• синтезатор сигналов, который генерирует колебания заданной радиочастоты, частот модуляции и преобразования для приёмопередающих модулей;
• процессор обработки сигналов, выполняющий с помощью аналоговых и цифровых устройств заданный алгоритм обработки принимаемых колебаний (синтезирования апертуры);
• БЦВМ управления и обработки данных, обеспечивающая согласование работы и режимов всех устройств РЛС и носителя РЛС в соответствии с решаемой задачей, а также обработку данных с выхода сигнального процессора.
• Кроме перечисленных составных частей РЛС, в неё также входят устройства технической диагностики, источники питания, сеть распределения сигналов и коммутационные устройства.
• Система навигации снабжает необходимой информацией системы обработки сигналов управления.
• Система индикации и управления обеспечивает связь между оператором и РЛС с использованием устройств отображения информации интеллектуальных систем управления, реализуемых с помощью ЭВМ.
• Носитель РЛС выполняет не только транспортные функции, но и обеспечивает заданное пространственное положение РЛС (траекторию), исходя из задачи формирования требуемого пространственно-временного траекторного сигнала.
• В соответствии с заданным режимом работы синтезатор сигналов вырабатывает высокочастотные колебания несущей частоты зондирующего сигнала, а также частоты преобразования и модуляции сигналов.
• Излучённая электромагнитная волна, пройдя среду распространения от РЛС до объекта, формирует поле облучения объекта. В зависимости от свойств объекта и параметров поля облучения, характеризуемых функцией отражения объекта, формируется рассеянная объектом ЭМВ, распространяющаяся в сторону РЛС. Отражённая от объекта ЭМВ, пройдя среду распространения от объекта до РЛС, возбуждает поле на апертуре приёмных антенных модулей.
• Процессор обработки сигналов и БЦВМ выполняют заданные алгоритмы синтезирования апертуры, обнаружения, определения координат и распознавания цели, обеспечения помехозащищённости и другие алгоритмы. Полученные данные используются оператором и подаются в другие системы (разведка, оружие, оборона и т.п.).
• 1. Методы получения радиолокационной информации
• Носителями информации о целях являются принимаемые РЛ сигналы. Прием этих сигналов обеспечивается в результате вторичного излучения, переизлучения или собственного излучения радиоволн целью. Различают соответственно активную радиолокацию с пассивным ответом, активную радиолокацию с активным ответом и пассивную радиолокацию.
• Активная радиолокация с пассивным ответом основана на использовании эффекта вторичного излучения (отражения) радиоволн (рис. 1, а). Активный ее характер состоит в облучении цели мощными зондирующими колебаниями. Пассивным ответом на облучение является вторичное излучение радиоволн. Особенности вторичного излучения существенно влияют на характер этого метода радиолокации. На активную радиолокацию с пассивным ответом существенно влияет также и характер размещения приемной и передающей аппаратуры на позиции. Если приемная позиция совмещена с передающей, активное РЛ средство называют совмещенным.
• Совмещенное средство часто содержит одну антенну, коммутируемую поочередно на передачу и прием. Возможен разнос приемной и передающей позиций на расстояние d, называемое базой. Базы бывают не только постоянными d = const (рис. 1, б), но и переменными (рис. 1, в). Приемный пункт, например головка самонаведения (рис. 1, в), располагается на ракете, так что d = var. Наряду с однобазовыми (двухпозиционными) разнесенными активными РЛ средствами возможны многобазовые (многопозиционные). В связи с усложнением задач радиолокации интерес к разнесенным РЛ средствам в последнее время существенно возрастает.
• Рис. 1. Обобщенные структурные схемы, поясняющие сущность методов радиолокации.
• Активная радиолокация с активным ответом (вторичная радиолокация) позволяет получать надежную информацию о своих объектах (например, о кораблях, самолетах, танках и т. д.). Для этого их облучают (рис. 1, г) запросными (зондирующими) сигналами. На объектах устанавливают ответчики, т. е. приемопередатчики, переизлучающие принятые (излучающие ответные) сигналы. Несущие частоты, законы модуляции (коды) запросных и ответных сигналов могут изменяться в широких пределах. Это обеспечивает опознавание государственной принадлежности объектов («свой - чужой») и индивидуальное опознавание. Активный ответ широко применяется также в задачах УВД.
• Пассивная радиолокация использует собственные излучения элементов цели и их ближайшей окрестности. Излучения создают нагретые участки поверхности, связные, локационные и навигационные средства (обеспечения безопасности полета в том числе), средства РЭП, ионизированные образования различного вида. В общем случае средство пассивной радиолокации может быть размещено на одной (рис. 1, д) или нескольких разнесенных позициях. На принципах пассивной радиолокации работают, в частности, средства радиотехнической разведки излучений. Пассивные и активные РЛ средства могут составить единое целое - это будут активно-пассивные РЛК.
• Важное значение для активных и активно-пассивных СРЛ имеет характер зондирования пространства. Увеличивая отношение размеров антенны к длине волны, добиваются, как известно, высокой направленности антенн.
• Высокая направленность зондирующего излучения обеспечивает концентрацию его энергии, облегчая последующее выделение отраженных сигналов. Зондирование различных участков пространства часто проводится поэтому неодновременно, т. е. наряду с одновременным обзором участков пространства реализуется последовательный обзор. Поскольку колебания, излучаемые в каждом направлении, обычно модулированы во времени, законы модуляции для различных направлений не совпадают.
• В этом случае имеет место пространственно-временная модуляция зондирующих колебаний. Она достигается путем временнуй модуляции в передатчиках и перемещения характеристик направленности передающих антенн в пространстве. Возможные виды пространственно-временной модуляции обеспечивают последовательный обзор пространства по жесткой программе либо по гибкой - в зависимости от результатов текущих наблюдений. Для повышения оперативности обзора используют антенны с электрическим управлением положением луча типа ФАР. На параметры принимаемых РЛ сигналов и их использование для измерения координат целей влияют свойства среды, в которой распространяются радиоволны. Простейшим и основным является случай распространения в свободном пространстве, которое принято полагать: 1) однородным; 2) изотропным; 3) недиспергирующим. Это значит, что скорость распространения радиоволн: 1) одинакова для всех элементов этого пространства; 2) не зависит от направления распространения и поляризации волны; 3) не зависит от частоты колебаний (с? 3 10 8 м/с). Зондирующий и отраженный сигналы распространяются по прямолинейным траекториям без искажения своей формы. Времена запаздывания tз отраженных от точечных целей сигналов относительно зондирующих определяются для разнесенных (рис. 1, б) и совмещенных (рис. 1, а) РЛС соотношениями
• tз = (Д1 + Д2)/с и tз = 2Д/с.
• Дальность до цели кодируется тем самым во временной структуре принимаемых колебаний. Для совмещенных РЛС дальность однозначно определяется временем запаздывания:
• Дц = с tз/2.
• При использовании разнесенных пунктов приема или одной многоэлементной антенны можно говорить о пространственно-временнуй структуре принимаемых колебаний. Набор временных запаздываний характеризует не только дальности, но и угловые положения целей. При малом разносе приемных элементов (в пределах ФАР), когда разностью запаздываний огибающих сигналов до приемных элементов можно пренебречь, угловая координата цели находится по распределению начальных фаз принимаемых колебаний. С этим же распределением связано формирование ДНА. Вращая ДНА (сканируя), можно сравнительно просто измерять угловые координаты - азимуты и углы места целей, например, по максимуму отраженного сигнала (рис. 2, а), обеспечивать их угловое разрешение (рис. 2, б). Информация о различных угловых направлениях при одноканальном приеме поступает последовательно во времени, при многоканальном (когда характеристики рис. 2, б относятся к разным каналам приема) ее можно получать параллельно, практически одновременно.
• Рис. 2. Схема, иллюстрирующая принцип измерения угловых координат и разрешения целей
• Рис. 3. Структурная схема простейшей импульсной РЛС
• Реализацию принципов обнаружения целей, измерения их угловых координат и дальности поясним на примере структурной схемы простейшей активной импульсной РЛС с совмещенной приемопередающей антенной и одним приемным каналом (рис. 3). Важным элементом РЛС является синхронизатор, запускающий ее основные элементы. Зондирование короткими радиоимпульсами обеспечивает неодновременность приема и излучения. Это позволяет использовать общую антенну, коммутируемую антенным переключателем на передачу и прием.
• После излучения ЗС антенна соединяется с приемником. ИКО обеспечивает возможность обнаружения оператором вторичного излучения цели, измерения дальности до цели и ее угловых координат (азимута). Предусматривается использование цепей автоматики. Последние связывают индикаторное устройство с антенной, выдают информацию о текущем положении ДНА, а значит, угловых координатах целей, а также управление этой диаграммой (контур управления на рис. 3 не показан).
• В более общем случае прием может быть многоканальным, длительность сигнала не обязательно должна быть малой. Приемная и передающая антенны могут быть разделены (даже в совмещенной локации).
• Существенную роль в радиолокации играет фактор движения целей, вызывающий изменение временных запаздываний отдельных элементов, а значит, всей структуры сигналов. Так, радиальное движение цели относительно совмещенной импульсной РЛС: 1) изменяет запаздывание последовательно принимаемых импульсов; 2) приводит к известному из физики изменению несущей частоты - эффекту Доплера. Оба эффекта порознь могут использоваться для измерения радиальных скоростей цели и их скоростного разрешения. Как поясняется ниже, они - проявления эффекта трансформации сигнала за счет движения цели. Селекция по скорости широко используется для защиты от пассивных помех.
• При любом из методов радиолокации приходящие сигналы часто оказываются слабыми. Особенно это относится к активной радиолокации, где имеет место двукратное рассеяние энергии: на пути до цели и обратно. Для выделения слабых сигналов принимают ряд мер: увеличивают по возможности габариты передающей и приемной антенн, среднюю мощность зондирующих колебаний; применяют высокочувствительные (малошумящие) входные элементы радиоприемных устройств.
• 2. Системы ЦОС

Этап 1. Цифровая фильтрация и спектральный анализ

На этом этапе развития (1965--1975 гг.) основной предметной областью теории ЦОС были цифровая фильтрация и спектральный анализ (рис 2), причем оба направления рассматривались с общей позиции частотных представлений. Общей основой развивающихся направлений был синтез цифровых фильтров частотной селекции. Базовые положения теории ЦОС закладывались и апробировались фактически на теории дискретных систем и теории цепей с использованием известного к тому времени набора машинных алгоритмов и, прежде всего, алгоритма быстрого преобразования Фурье (БПФ).

Рис 2 - основной предметной областью теории ЦОС

К числу основных проблем, получивших эффективное решение в эти годы, относятся: машинная аппроксимация функции передачи цифровых фильтров (ЦФ) в классе фильтров с конечной (КИХ-фильтров) и бесконечной (БИХ-фильтров) импульсной характеристикой, разработка алгоритмов высокоскоростной свертки и малошумящих структур БИХ-фильтров, построение цифровых спектроанализаторов на основе использования полосовых фильтров и алгоритма БПФ.

Возможности технической реализации цифровых фильтров и спектроанализаторов в этот период можно охарактеризовать как этап машинного моделирования в реальном времени с применением малых ЭВМ или специализированных устройств, построенных на ИС средней степени интеграции. Первые цифровые устройства с позиции сегодняшних представлений обладали низкой эффективностью и имели крайне ограниченное применение, связанное, как правило, с военными технологиями. Однако прогнозируемые успехи в области микроэлектроники и цифровой схемотехники вселяли надежду на скорое радикальное изменение подобного состояния дел.

Этап 2. Многоскоростная фильтрация и адаптивная обработка сигналов

В начале 70-х годов появляются первые однокристальные микропроцессоры (МП) - «провозвестники» новой волны компьютерной революции. Начинается новый этап становления техники ЦОС и компьютерных технологий.

Открываются новые возможности и возникают новые проблемы. Теория ЦОС входит в очередной этап своего развития, который условно можно ограничить периодом с 1975 по 1985 г. Именно в этот период формируются четыре основных взаимосвязанных направления современной теории ЦОС (рис.3).

Первое направление -- цифровая частотная селекция сигналов, закрепляет и систематизирует достижения в области проектирования цифровых полосовых фильтров и их наборов. Наиболее оригинальные работы в этом направлении были связаны с развитием теории многоскоростной обработки сигналов на основе эффектов прореживания по времени и по частоте.

Второе направление -- быстрые алгоритмы обработки сигналов, ориентировано на построение высокоскоростных алгоритмов ЦОС путем исключения «избыточности» операций преобразования и замены трудоемких операций умножения операциями сложения и сдвига (многочисленные модификации алгоритма БПФ и методы теоретико-числовых преобразований).

Третье направление -- адаптивная и оптимальная обработка сигналов, охватывает широкий спектр методов решения задач оптимальной фильтрации (фильтры Винера, Калмана и др.) и обработки сигналов в условиях априорной неопределенности о характере исследуемого динамического процесса.

Четвертое направление -- обработка многомерных сигналов и полей, является естественным развитием обработки одномерных сигналов на случай многомерных цифровых систем.

Указанные направления взаимосвязаны друг с другом, и эта взаимосвязь базируется как на общей математической основе, «питающей» все четыре направления, так и на прямом использовании основных положений и методов одних направлений в других.

Этап З. Оптимальное проектирование на сигнальных процессорах

В первой половине 80-х годов сначала фирма NEC (Япония), затем фирма TexasInstruments (США) объявило промышленном выпуске первых сигнальных процессоров mPD7720 и TMS32010 и тем самым ознаменовали открытие новой эры в технике ЦОС -- эры СБИС обработки сигналов. Новый класс микропроцессорных систем фактически представлял собой семейство однокристальных микро-ЭВМ, ориентированных внутренней архитектурой на высокоэффективную программно-аппаратную реализацию классических алгоритмов ЦОС. За относительно короткий промежуток времени -- 15 лет, цифровые процессоры обработки сигналов (ЦПОС) прошли несколько этапов развития. В конкурентную борьбу на рынке перспективных электронных технологий вступили такие фирмы, как Motorola, AnalogDevices, AT&T, SGS Thomson (США) и др. В результате интенсивных разработок в значительной степени выросли вычислительная производительность и внутренние ресурсы однокристальных ЦПОС, появились мощные программные и аппаратные средства поддержки микропроцессорных систем ЦОС. Уменьшение стоимости и расширение функциональных возможностей СБИС обработки сигналов способствовали широкому практическому использованию методов ЦОС в различных сферах научной и производственной деятельности человека.

Новый этап развития теории ЦОС (с середины 80-х годов) -- интенсивное внедрение методов обработки цифровых сигналов с применением однокристальных ЦПОС и многопроцессорных систем, построенных на их основе. Теория ЦОС, поступательно двигаясь во всех указанных выше направлениях, все в большей степени развивается в направлении практического использования в конкретных областях с учетом ограничений, накладываемых внутренними ресурсами применяемых сигнальных процессоров. Традиционно базовыми областями применения техники ЦОС остаются: цифровая обработка речи, звука, изображений, а также статистическая ЦОС в радиотехнике, связи и управлении. Но именно в этот период методы и техника ЦОС из сферы, как правило, военных технологий, переходят в сферу интенсивных коммерческих разработок.

Острая конкурентная борьба на рынке новых информационных и компьютерных технологий способствовала прорыву в области методологии и техники проектирования систем ЦОС, обеспечивающему значительное сокращение сроков разработок. Формулируется общая концепция оптимального автоматизированного проектирования систем ЦОС. Создаются мощные программные средства поддержки автоматизированного проектирования, начиная с этапа моделирования системы и заканчивая схемотехнической реализацией на сигнальных процессорах и СБИС обработки сигналов. К их числу относятся такие интегрированные оболочки, как MATLAB фирмы TheMathWorks, Inc., Hypersignal фирмы Нурегсерtion, Inc., пакеты по синтезу цифровых фильтров QEDesign фирмы MomentumDataSystems (США), DIFID и PICLOR фирмы «Радис, Лтд» (Россия) и др. Разработка многопроцессорных систем ЦОС, ориентированных на обработку потоков информации в темпе их поступления, потребовала создания специализированных программных средств управления -- операционных систем реального времени (ОСРВ), оптимизированных для систем ЦОС. Получили известность и широкое использование ОСРВ SPOX фирмы SpectromMicrosystems, Inc. (США) и Virtuoso фирмы EonicSystems, Inc. (Бельгия).

Этап 4. Однокристальные многопроцессорные системы и оптимальное проектирование на ПЛИС

Современный этап развития методов и техники обработки сигналов во второй половине 90-х годов определяется как новыми уникальными возможностями однокристальных многопроцессорных ЦПОС (семейство TMS320C80), так и применением архитектурно перепрограммируемых СБИС ЦОС на базе программируемых логических интегральных схем (ПЛИС). Имея до 1 млн. логических вентилей на кристалле и работая на внутренней тактовой частоте до нескольких сотен мегагерц, ПЛИС обработки сигналов прочно занимают свою нишу между специализированными заказными СБИС и универсальными ЦПОС, интенсивно расширяя сферу применения перепрограммируемых СБИС ЦОС и вытесняя с рынка высоких технологий сигнальные процессоры.

Проектируемые на ПЛИС системы сочетают в себе сверхвысокую производительность заказных СБИС и высокую гибкость ЦПОС на уровне архитектурной адаптации к заданному классу алгоритмов, а также возможность размещения на одном кристалле ПЛИС всей структуры системы, включая нестандартную периферию. В тех случаях, когда проектируемая система должна быть ориентирована на решение сложных, разветвленных алгоритмов обработки в реальном времени на различных скоростях потоков входных данных, наивысшая эффективность достигается при совместном использовании ПЛИС и сигнальных процессоров.

Новая концепция построения системы ЦОС базируется на широком использовании потенциальных возможностей ПЛИС и методике оптимального проектирования, гарантирующей достижимость заданных показателей качества при минимальных аппаратных затратах. При этом акцент, по-прежнему, смещается в сторону прикладных систем, разработка и промышленное внедрение которых идут нарастающими темпами.

Вместе с тем и вопросы общей теории ЦОС не теряют своей значимости. К числу наиболее актуальных задач теории и техники ЦОС относятся:

Систематизация методов и алгоритмов обработки цифровых сигналов по различным направлениям и создание пакетов прикладных программ по автоматизированному проектированию систем ЦОС;

Разработка методики и пакетов прикладных программ оптимального проектирования систем ЦОС на сигнальных процессорах и ПЛИС;

Развитие новых концепций по основным направлениям теории ЦОС -- многоскоростная обработка, быстрые алгоритмы, адаптивная обработка, спектральное оценивание, частотно-временная обработка, вейвлетовские и фрактальные преобразования, нелинейная фильтрация, обработка многомерных сигналов и др.

3. Оптоволокно

Оптоволоконные линии предназначены для перемещения больших объемов данных на очень высоких скоростях. В оптоволоконном кабеле цифровые данные распространяются по оптическим волокнам в виде модулированных световых импульсов. Это относительно надежный (защищенный) способ передачи, поскольку электрические сигналы при этом не передаются. Следовательно, оптоволоконный кабель нельзя вскрыть и перехватить данные, от чего не застрахован любой кабель, проводящий электрические сигналы. Кроме того, такие проблемы передачи информации по проводам как электромагнитные помехи, перекрестные помехи (переходное затухание) и необходимость заземления, полностью устраняются. Вдобавок, чрезвычайно уменьшается погонное затухание, позволяя протягивать оптоволоконные связи без регенерации сигналов на много большие дистанции, достигающие 120 км.

Оптическое волокно -- чрезвычайно тонкий стеклянный цилиндр, называемый жилой, покрытый слоем стекла, называемого оболочкой, с иным, чем у жилы, коэффициентом преломления. Иногда оптоволокно производят из пластика. Пластик проще в использовании, но он передает световые импульсы на меньшие расстояния по сравнению со стеклянным оптоволокном. Каждое стеклянное оптоволокно передает сигналы только в одном направлении, поэтому кабель состоит из двух волокон с отдельными коннекторами. Одно из них служит для передачи, а другое -- для приема. Жесткость волокон увеличена покрытием из пластика, а прочность -- волокнами из кевлара. Оптоволоконный кабель идеально подходит для создания сетевых магистралей, и в особенности для соединения между зданиями, так как он нечувствителен к влажности и другим внешним условиям. Также он обеспечивает повышенную по сравнению с медью секретность передаваемых данных, поскольку не испускает электромагнитного излучения, и к нему практически невозможно подключиться без разрушения целостности. Недостатки оптоволокна в основном связаны со стоимостью его прокладки и эксплуатации, которые обычно намного выше, чем для медной среды передачи данных. Эта разница стала привычной, тем не менее, в последние годы она стала сглаживаться. Сама оптоволоконная среда только слегка дороже UTP категории 5. Но независимо от указанных преимуществ и недостатков применение оптоволокна приносит с собой другие проблемы, такие как процесс прокладки. Разводка оптоволоконного кабеля в основном ничем не отличается от укладки медного, но присоединение коннекторов требует принципиально иного инструмента и технических навыков.

Существуют два различных типа оптоволоконного кабеля:

многомодовый или мультимодовый кабель, более дешевый, но менее качественный;

одномодовый кабель, более дорогой, но имеет лучшие характеристики по сравнению с первым.

Суть различия между этими двумя типами сводится к разным режимам прохождения световых лучей в кабеле. В одномодовом кабеле практически все лучи проходят один и тот же путь, в результате чего они достигают приемника одновременно, и форма сигнала почти не искажается. Одномодовый кабель имеет диаметр центрального волокна около 1,3 мкм и передает свет только с такой же длиной волны (1,3 мкм). Дисперсия и потери сигнала при этом очень незначительны, что позволяет передавать сигналы на значительно большее расстояние, чем в случае применения многомодового кабеля. Для одномодового кабеля применяются лазерные приемопередатчики, использующие свет исключительно с требуемой длиной волны. Такие приемопередатчики пока еще сравнительно дороги и не долговечны. Однако в перспективе одномодовый кабель должен стать основным типом благодаря своим прекрасным характеристикам. К тому же лазеры имеют большее быстродействие, чем обычные светодиоды. Затухание сигнала в одномодовом кабеле составляет около 5 дБ/км и может быть даже снижено до 1 дБ/км. В многомодовом кабеле траектории световых лучей имеют заметный разброс, в результате чего форма сигнала на приемном конце кабеля искажается. Центральное волокно имеет диаметр 62,5 мкм, а диаметр внешней оболочки 125 мкм (это иногда обозначается как 62,5/125). Для передачи используется обычный (не лазерный) светодиод, что снижает стоимость и увеличивает срок службы приемопередатчиков по сравнению с одномодовым кабелем. Длина волны света в многомодовом кабеле равна 0,85 мкм, при этом наблюдается разброс длин волн около 30 - 50 нм. Допустимая длина кабеля составляет 2 - 5 км. Многомодовый кабель - это основной тип оптоволоконного кабеля в настоящее время, так как он дешевле и доступнее. Затухание в многомодовом кабеле больше, чем в одномодовом и составляет 5 - 20 дБ/км. Типичная величина задержки для наиболее распространенных кабелей составляет около 4-- 5 нс/м, что близко к величине задержки в электрических кабелях.

3.1 Стандарты оптических волокон

Если сравнивать многомодовые волокна между собой (рис. 2.1 а, б), то градиентное волокно имеет лучше технические характеристики, чем ступенчатое, по дисперсии. Главным образом это связано с тем, что межмодовая дисперсия в градиентном многомодовом волокне - основной источник дисперсии - значительно меньше, чем в ступенчатом многомодовом волокне, что приводит к большей пропускной способности у градиентного волокна. Одномодовое волокно имеет значительно меньший диаметр сердцевины по сравнению с многомодовым и, как следствие, из-за отсутствия межмодовой дисперсии, более высокую пропускную способность. Однако оно требует использования более дорогих лазерных передатчиков.

В ВОЛС наиболее широкое используются следующие стандарты волокон (табл. 2.1):

Таблица 2.1 Стандарты оптических волокон и области их применения

Многомодовое волокно	Одномодовое волокно
MMF 50/125 градиентное волокно	MMF 62,5/125 градиентное волокно	SF (NDSF) ступенчатое волокно	DSF волокно со смещенной дисперсией	NZDSF волокно с ненулевой смещенной дисперсией
	ЛВС (Ethernet, Fast/Gigabit Ethernet, FDDI, ATM)	Протяженные сети (Ethernet, Fast/Gigabit Ethernet, FDDI, ATM), магистрали SDH)	Сверхпротяженные сети, супермагистрали (SDH, ATM)	Сверхпротяженные сети, супермагистрали (SDH, ATM), полностью оптические сети

· многомодовое градиентное волокно 50/125 (рис. 2.1 а);

· многомодовое градиентное волокно 62,5/125 (рис. 2.1 б);

· одномодовое ступенчатое волокно SF (волокно с несмещенной дисперсией или стандартное волокно) 8-10/125 (рис. 2.1 в);

· одномодовое волокно со смещенной дисперсией DSF 8-10/125 (рис. 2.1 г);

· одномодовое волокно с ненулевой смещенной дисперсией NZDSF (по профилю показателя преломления это волокно схоже с предыдущим типом волокна).

Рис. 2.1 а) Ступенчатое многомодовое волокно

Рис. 2.1 б) Градиентное многомодовое волокно

Рис. 2.1 в) Ступенчатое одномодовое волокно, г) Одномодовое волокно со смещенной дисперсией (DSF или NZDSF)

Большинство устройств волоконной оптики используют область инфракрасного спектра в диапазоне от 800 до 1600 нм в основном в трех окнах прозрачности: 850, 1310 и 1550 нм, рис. 2.8 . Именно окрестности этих трех длин волн образуют локальные минимумы затухания сигнала и обеспечивают бoльшую дальность передачи.

3.2 Разъемы оптических волокон

ST.Был разработан в 1985 году AT&T, ныне Lucent Technologies. Конструкция основана на керамическом наконечнике (феруле) диаметром 2, 5 мм с выпуклой торцевой поверхностью. Фиксация вилки на гнезде выполняется подпружиненным байонетным элементом (подобно разъемам BNC, использующимся для коаксиального кабеля). Разъемы ST - самый дешевый и распространенный в России тип. Он немного лучше, чем SC, приспособлен к тяжелым условиям эксплуатации благодаря простой и прочной металлической конструкции (допускает больше возможностей для применения грубой физической силы).

Как основные недостатки, можно назвать сложность маркировки, трудоемкость подключения, и невозможность создания дуплексной вилки.

SC. Был разработан японской компанией NTT, с использованием такого же, как в ST, керамического наконечника диаметром 2, 5 мм. Но основная идея заключается в легком пластмассовом корпусе, хорошо защищающим наконечник, и обеспечивающим плавное подключение и отключение одним линейным движением.

Такая конструкция позволяет достичь большой плотности монтажа, и легко адаптируется к удобным сдвоенным разъемам. Поэтому разъемы SC рекомендованы для создания новых систем, и постепенно вытесняют ST.

Дополнительно нужно отметить еще два типа, один из которых используется в смежной отрасли, а другой постепенно набирает популярность.

FC. Очень похож на ST, но с резьбовой фиксацией. Активно используется телефонистами всех стран, но в локальных сетях практически не встречается.

LC. Новый "миниатюрный" разъем, конструктивно идентичный SC. Пока достаточно дорог, и для "дешевых" сетей его применение бессмысленно. Как главный аргумент "за" создатели приводят большую плотность монтажа. Это достаточно серьезный довод, и в отдаленном (по телекоммуникационным меркам) будущем вполне возможно, что он станет основным типом.

3.3 Передача информации по оптоволокну

Если сравнивать с другими способами передачи информации, то порядок величин Тбайт/с просто недостижим. Еще один плюс таких технологий -- это надежность передачи. Передача по оптоволокну не имеет недостатков электрической или радиопередачи сигнала. Отсутствуют помехи, которые могут повредить сигнал, и нет необходимости лицензировать использование радиочастоты. Однако не так много людей представляют себе, как вообще происходит передача информации по оптоволокну, и тем более не знакомы с конкретными реализациями технологий. Мы рассмотрим одну из них -- технологию DWDM (dense wavelength-division multiplexing).

Вначале рассмотрим, как вообще передается информация по оптоволокну. Оптоволокно -- это волновод, по которому распространяются электромагнитные волны с длиной волны порядка тысячи нанометров (10-9 м). Это область инфракрасного излучения, не видимого человеческим глазом. И основная идея состоит в том, что при определенном подборе материала волокна и его диаметра возникает ситуация, когда для некоторых длин волн эта среда становится почти прозрачной и даже при попадании на границу между волокном и внешней средой большая часть энергии отражается обратно внутрь волокна. Тем самым обеспечивается прохождение излучения по волокну без особых потерь, и основная задача -- принять это излучение на другом конце волокна. Конечно, за столь кратким описанием скрывается огромная и трудная работа многих людей. Не надо думать, что такой материал просто создать или что этот эффект очевиден. Наоборот, к этому нужно относиться как к большому открытию, так как сейчас это обеспечивает лучший способ передачи информации. Нужно понимать, что материал волновода -- это уникальная разработка и от его свойств зависит качество передачи данных и уровень помех; изоляция волновода разработана с учетом того, чтобы выход энергии наружу был минимален.

Одной из относительно новых технологий передачи данных является Fiber Channel.

Технология Fiber Channel основывается на применении оптического волокна в качестве среды передачи данных. Наиболее часто встречающимся применением этой технологии в настоящее время являются высокоскоростные сетевые устройства хранения данных (SAN - Storage Area Networks). Такие устройства используются для построения высокопроизводительных кластерных систем. Технология Fiber Channel изначально создавалась как интерфейс, обеспечивающий возможность высокоскоростного обмена данными между жесткими дисками и процессором компьютера. Позже стандарт был дополнен и сейчас определяет механизмы взаимодействия не только систем хранения данных, но и способов взаимодействия нескольких узлов кластерной системы между собой и средствами хранения данных.

Технология Fiber Channel имеет несколько преимуществ по сравнению с другими средами передачи данных, важнейшим из которых является скорость. Технология Fiber Channel обеспечивает скорость передачи данных 100 Мбит/с. Вторым важным преимуществом является возможность передачи сигнала на очень большие расстояния. Обмен данными с использованием светового сигнала вместо электрического обеспечивает возможность передачи информации на расстояния до 10-20 км без использования повторителей (при применении одноволнового кабеля). Третьим преимуществом технологии Fiber Channel является полный иммунитет к электромагнитным помехам. Это качество позволяет активно использовать оптическую среду передачи даже в производственных помещениях с большим количеством электромагнитных помех. Четвертое преимущество состоит в полном отсутствии излучения сигнала в окружающую среду, что дает возможность применения Fiber Channel в сетях с повышенными требованиями к безопасности обрабатываемых и хранимых данных.

Основным недостатком технологии Fiber Channel является ее стоимость: оптический кабель со всеми сопутствующими его использованию разъемами и способами монтажа является существенно более дорогим, чем медные кабели.

4. Гигабитный Ethernet(1000base-T)

Разработка стандартов Гигабитного Ethernet привела к спецификациям для медного кабеля UTP, однорежимного волокна и многорежимного волокна. В сетях Гигабитного Ethernet биты транспортируются за долю того времени, которое они занимают в сетях на 100 Мбит/с и 10 Мбит/с. В сигналах, проходящих быстрее, биты становятся более восприимчивыми к шуму, и поэтому синхронизация является критической. Вопрос производительности основан на том, как быстро сетевой адаптер или интерфейс могут изменять уровни напряжения и насколько достоверно это изменение напряжения может быть обнаружено на расстоянии в 100 метров на принимающем адаптере NIC или интерфейсе.

1000 Мбит/с - Гигабитный Ethernet

На этих более высоких скоростях, кодирование и декодирование данных является более сложным. Гигабитный Ethernet использует два отдельных шага кодирования. Передача данных более эффективна, когда используются коды для представления потока битов. Кодирование данных позволяет синхронизацию, эффективное использование полосы пропускания и улучшенных характеристик отношения сигнал-шум.

Ethernet 1000BASE-T обеспечивает полнодуплексную передачу, используя все четыре пары в кабеле Категории 5 или более позднего UTP. Гигабитный Ethernet по медному проводу позволяет увеличение скорости со 100 Мбит/с на одну пару проводов до 125 Мбит/с на пару проводов, или 500 Мбит/с для всех четырех пар. Каждая проводная пара переносит сигналы в полном дуплексе, удваивая 500 Мбит/с до 1000 Мбит/с.

1000BASE-T использует кодирование строки 4D-PAM5, чтобы получить пропускную способность данных в 1 Гбит/с. Эта схема кодирования позволяет передачу сигналов по четырем проводным парам одновременно. Она преобразовывает 8-разрядный байт данных в одновременную передачу четырех кодовых знаков (4D), которые отправляются по носителю, по одному на каждой паре, в виде сигналов, Модулируемых с Амплитудой Импульса 5-го уровня (PAM5). Это означает, что каждый символ соответствует двум битам данных. Поскольку информация перемещается одновременно по четырем путям, схема должна разделять фреймы в передатчике и повторно собирать их в приемнике. Рисунок показывает представление схемы, используемой в Ethernet 1000BASE-T.

1000BASE-T позволяет передачу и прием данных в обоих направлениях - на одном и том же проводе и одновременно. Этот поток трафика создает постоянные коллизии на проводных парах. Эти коллизии приводят к сложным шаблонам напряжения. Гибридные схемы, обнаруживающие сигналы, используют сложные методы, такие как эхоподавление, Прямая коррекция ошибок (FEC) Уровня 1 и разумный выбор уровней напряжения. Используя эти методы, система достигает пропускной способности в 1 гигабит.

Чтобы помочь с синхронизацией, Физический уровень инкапсулирует каждый фрейм с разделителями начала потока и конца потока. Синхронизация цикла поддерживается непрерывными потоками символов IDLE (неактивен), отправляемых на каждую проводную пару во время межкадрового интервала.

В отличие от большинства цифровых сигналов, где обычно есть несколько дискретных уровней напряжения, 1000BASE-T использует множество уровней напряжения. В неактивные периоды на кабеле находятся девять уровней напряжения. Во время передачи данных на кабеле находятся до 17 уровней напряжения. С таким большим количеством состояний, объединенных с эффектами шума, сигнал на проводе больше походит на аналоговый, чем на цифровой. Подобно аналоговой, система более восприимчива к шуму из-за проблем с обжатием и кабелем.

Преимущества Gigabit Ethernet Чтобы поддерживать возрастающие потребности в производительности сети, Gigabit Ethernet включает расширения, касающиеся быстрых волоконно-оптических соединений на физическом уровне (Physical Layer). Это обеспечивает десятикратное увеличение MAC (Media Access Control) на уровне данных (Data Layer), для того чтобы поддерживать видео-конференции и другие приложения с интенсивным трафиком. Gigabit Ethernet является совместимым с наиболее популярной сетевой архитектурой, Ethernet. В 1996 году, согласно научно-исследовательским прогнозам IDC, более 80% вычислительных сетей использовали Ethernet. Ожидается, что преобладание Ethernet продолжится и после 1998 года, особенно если этот совместимый и масштабируемый стандарт перейдет на гигабитовые скорости. В дополнение к широкому выбору на рынке продуктов и производителей это преобладание привело к устойчивым снижениям цен на аппаратные средства Ethernet.

Устойчивое снижение стоимости продуктов Ethernet и Fast Ethernet. Аналогичные тенденции ожидаются в отношении продуктов для Gigabit Ethernet. (Dell Oro Group) Информационно-Технологические отделы компаний, применяющие Fast Ethernet, и в конечном счете Gigabit Ethernet, для увеличения сетевой производительности увидят:

· Возрастающий уровень сетевой производительности, включая локализацию трафика и высокоскоростную межсегментную передачу данных

· Повышение масштабируемости сети -- это позволит легко добавлять пользователей и управлять сетью.

· Снижение, с течением времени общей стоимости аппаратных средств.

5. VPX стандарт

VPX -- новая архитектура встраиваемых систем для жестких условий применения, основанная на современных высокоскоростных последовательных межсоединениях. Стандарт VPX исторически является продолжателем известного стандарта VME, который широко используется при проектировании электроники военного назначения. На сегодняшний день стандарт VME морально устарел, хотя по-прежнему используется рядом компаний в качестве основы для новых разработок. То же самое можно сказать о распространенном стандарте PICMG 2, использующем шину данных CompactPCI . Главная причина, по которой эти стандарты являются сейчас неактуальными, -- низкая пропускная способность используемых параллельных шин данных (для VME64 -- 40 Мбайт/с). В первую очередь, такие низкие показатели не удовлетворяют потребностям приложений, связанных с 126 ISSN 0236-3933. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. «Приборостроение». 2012 обработкой визуальной информации, а также обработкой данных в широкополосных радиолокационных станциях (РЛС). Кроме того, платы формата 6U (160233 мм) характеризуются недостаточной жесткостью, низкими механическими резонансными частотами и неудовлетворительно работают в условиях сильных вибраций. Основной технологией, позволяющей на сегодняшний день передавать данные на высокой скорости как в пределах одного крейта (корпуса с набором плат), так и между несколькими удаленными устройствами, являются высокоскоростные последовательные трансиверы (приемопередатчики). Такими приемо-передающими устройствами сегодня снабжается все большее число полупроводниковых вычислительных приборов: интегральных микросхем программируемой логики (FPGA), цифровых сигнальных процессоров (DSP), АЦП, ЦАП и др. Дифференциальный способ передачи сигнала, высокая мощность передатчиков, применение различного рода эквалайзеров, компенсирующих искажения сигнала, трехмерные технологии проектирования кристалла позволяют осуществлять передачу данных на скорости до 28 Гбит/с по одной проводной паре. Объединение нескольких высокоскоростных трансиверов позволяет получить скорость передачи 100 Гбит/с и выше по одной шине данных. В настоящее время технология 100 Гбит/c уже является стандартной и предлагается ведущими производителями микросхем (Xilinx, Altera, Texas Instruments), что называется, «под ключ» . Производители предоставляют сведения об особенностях проектирования печатных узлов, дают рекомендации по отладке, предоставляют методики верификации таких проектов, а также обеспечивают их достаточно полную программную поддержку. Возникший разрыв в технологии передачи данных между современными чипами и модулями специального назначения внутри крейтов был учтен при разработке стандартов VPX, VPX REDI и OpenVPX . Требуемая скорость передачи данных в стандарте VPX обеспечивается в первую очередь применением разъемов, специально рассчитанных на передачу высокоскоростных дифференциальных сигналов, которые используются для связи между ячейками устройства с объединительной платой (так называемый бэкплейн).

Такие разъемы представляют собой набор небольших угловых печатных плат (так называемые вафли), объединенных в стек с помощью пластикового держателя. На печатных платах нанесены рисунки проводников различной конфигурации в зависимости от назначения разъема: сигнальные разъемы с дифференциальными или несимметричными дорожками; силовые разъемы с широкими слоями проводящей меди. Ответная часть разъемов, устанавливаемая на бэкплейн, представляет собой набор пружинных контактов, размещаемых в пластиковый держатель. Сигнальные разъемы стандарта VPX имеют гарантированное волновое сопротивление (100 или 50 Ом), что обеспечивается соответствующей конфигурацией проводников и печатной платы разъема. Это позволяет соблюсти условия целостности сигнала при его прохождении от ячейки к ячейке через две пары межсоединений. Силовые разъемы VPX выполняются по технологии изготовления печатных плат из заготовок с толстыми пленками меди (от 75 мкм), что обеспечивает токовую нагрузку до 36 А на разъем, содержащий три силовых «вафли». Таким образом, в устройствах стандарта VPX достигается поддержка энергетически емких быстродействующих цифровых и цифраналоговых схем. Следует также отметить, что обладая хорошими электрическими характеристиками, разъемы VPX имеют высокий уровень виброустойчивости и достаточную механическую прочность. Это достигается как за счет конструкции самих разъемов, так и за счет применения продуманной системы направляющих штырей. При разработке стандарта проведены многочисленные испытания на устойчивость к механическим, температурным, химическим и другим воздействиям, подтвердившие высокую стабильность электрических свойств соединителей.

Не менее значимым фактором в обеспечении скоростных соединений между модулями имеют характеристики объединительной платы. Стандарты VPX предполагают организацию модульных меж- соединений по бэкплейну с помощью высокоскоростных последовательных линий. Существует три типа организации линий передачи данных: одиночные каналы UTP (Ultra-thin Pipe), сдвоенные («тонкие») каналы TP (Thin Pipe) и счетверенные («толстые») каналы FP (Fat Pipe). Каждый канал предусматривает работу как в дуплексном, так и в полудуплексном режимах. Максимальная битовая скорость передачи данных по каждой проводной паре, предусмотренная стандартом, составляет 6 Гбит/с.

Заключение

Стремление увеличить дальность действия привело к тому, что радиолокация, как и многие другие области техники, пережила эпоху «гигантомании». Создавались все более мощные магнетроны, антенны все больших размеров, устанавливавшиеся на гигантских поворотных платформах. Мощность РЛС достигла 10 и более мегаватт в импульсе. Более мощные передатчики создавать было уже физически невозможно: резонаторы и волноводы не выдерживали высокой напряженности электромагнитного поля, в них происходили неуправляемые разряды. Появились данные и о биологической опасности высококонцентрированного излучения РЛС: у людей проживающих вблизи РЛС наблюдались заболевания кроветворной системы, воспаленные лимфатические узлы. Со временем появились нормы на предельную плотность потока СВЧ энергии, допустимые для работы человека (кратковременно допускается до 10 мВт/см2).

Новые требования, предъявляемые к РЛС, привели к разработке совершенно новой техники, новых принципов радиолокации. В настоящее время на современных РЛС импульс посылаемый станцией представляет собой сигнал, закодированный по весьма сложному алгоритму (наиболее распространен код Баркера), позволяющий получать данные повышенной точности и ряд дополнительных сведений о наблюдаемой цели. С появлением транзисторов и вычислительной техники мощные мегаваттные передатчики ушли в прошлое. На их смену пришли сложные системы РЛС средней мощности объединенные посредством ЭВМ. Благодаря внедрению информационных технологий стала возможна синхронная автоматическая работа нескольких РЛС. Радиолокационные комплексы постоянно совершенствуются, находят новые сферы применения. Однако есть еще масса неизученного, поэтому эта область науки еще долго будет интересна физикам, математикам, радиоинженерам; будет объектом серьезных научных работ и изысканий. Развитие современной науки и техники невозможно представить себе без применения радиолокации, которая используется и в исследовании космоса, и в навигации воздушных и морских судов, и в военной технике (для обнаружения цели и наведения ракет на цель).

Список литературы

1. https://ru.wikipedia.org/wiki/Радиолокация/

2. http://www.twirpx.com/file/989969/

3. http://learndsp2012.tom.ru

Подобные документы

Параметры оптических волокон. Методы измерения затухания, длины волны, расстояний, энергетического потенциала, дисперсии и потерь в волоконно-оптических линиях связи. Разработка лабораторного стенда "Измерение параметров волоконно-оптического тракта".

дипломная работа , добавлен 07.10.2013


Наука и техника, объединяющие методы обнаружения и измерения координат. Расстояние радиоволн к объекту, виды радиолокации и применение её во всех сферах деятельности. Радар и его собственный зондирующий импульс. Дистанционное принятие радиоволн.

презентация , добавлен 08.11.2011


Анализ методов обнаружения и определения сигналов. Оценка периода следования сигналов с использованием методов полных достаточных статистик. Оценка формы импульса сигналов для различения абонентов в системе связи без учета передаваемой информации.

дипломная работа , добавлен 24.01.2018


Вариант применения персональных компьютеров (ПК) для решения задач вторичной обработки радиолокационной информации. Сравнительный анализ используемых и предлагаемых алгоритмов. Схемы устройств для сопряжения ПК с цифровой станцией 55Ж6; расчет затрат.

дипломная работа , добавлен 27.06.2011


Создание макета стенда. Изучение эффекта модуляции светового потока внешним акустическим полем. Хищение цифровой информации, методы подсоединения к оптоволокну. Сущность расчетного метода оценки разборчивости речи. Защищенность штатного переходника.

дипломная работа , добавлен 18.11.2013


Импульсный, частотный и фазовый методы измерения дальности. Авиационный комплекс радиолокационного обнаружения на самолете Ан-71. Выбор микроконтроллера, супервизора питания, блока индикации, тактового генератора и источника стабилизированного питания.

курсовая работа , добавлен 13.02.2012


Меры противодействия информационным угрозам. Акустические и виброакустические каналы утечки речевой информации. Разновидности радиолокационной разведки. Классификация методов и средств защиты информации от радиолакационных станций бокового обзора.

презентация , добавлен 28.06.2017


Измерения при технической эксплуатации волоконно-оптических линий передачи, их виды. Системы автоматического мониторинга волоконно-оптических кабелей. Этапы эффективной локализации места повреждения оптического кабеля. Диагностирование оптических волокон.

контрольная работа , добавлен 12.08.2013


Стандартные, альтернативные, перспективные методы измерения длины световода для волоконно-оптических систем связи и передачи информации. Анализ метрологических характеристик методов и средств измерения длины световода. Рефлектометрия во временной области.

дипломная работа , добавлен 25.12.2015


Обзор конструктивных особенностей и характеристик лазеров на основе наногетероструктур. Исследование метода определения средней мощности лазерного излучения, длины волны, измерения углов расходимости. Использование исследованных средств измерений.

ГЛАВА I

Пространственно-временная обработка

радиолокационной информации

1.1. Принципы получения радиолокационной информации

Получение радиолокационной информации базируется на следующих ос­новных принципах.

1. Информация получается путем возмущения среды распространения различ­ными объектами, в частности за счет излучения объектом радиоволн.

2. Для получения необходимой информации учитываются и используются ре­альные закономерности распространения радиоволн в пространстве.

3. Выделение слабых сигналов, приходящих от объектов, и разрешение объек­тов обеспечивается за счет различий сигналов и помех, а также сигналов от разных объектов между собой.

4. Информация об объектах получается параллельно или последовательно во времени и выдается в виде информационных потоков.

К видам излучения относятся: вторичное излучение, переизлучение и собственное излучение радиоволн. В первых двух случаях радиолокатор излу­чает в направлении на объект мощный сигнал (зондирующий сигнал); в по­следнем случае облучения объекта не требуется. Радиолокация с использовани­ем вторичного излучения и переизлучения называется активной, а радиолока­ция с использованием собственного излучения - пассивной.

Радиолокация с пассивным ответом основана на том, что радиолокацион­ная станция (РЛС) излучает электромагнитные колебания, которые отражаются от объекта и попадают в приемник в виде отраженного сигнала. Важным требо­ванием к объектам в этом случае является отличие их отражающих свойств от отражающих свойств окружающей среды. Явление вторичного излучения по­зволяет обнаружить объекты, не являющиеся источниками собственных радио­излучений или переизлучений (рис. 1.1, а).

Радиолокация с активным ответом (рис. 1.1, б), именуемая иногда как вторичная радиолокация (в первом случае радиолокация первичная), характеризуется тем, что ответный сигнал является не отраженным, а переизлученным с помощью специальных средств (ответчики - ретрансляторы). При этом зна­чительно повышается дальность и контрастность радиолокационного наблюде­ния, улучшается помехоустойчивость. Данный метод широко применяется для определения государственной принадлежности воздушных судов (с помощью специальных кодов). В гражданской авиации метод активного ответа использу­ется весьма широко, так как с его помощью можно получить много дополни­тельной полетной информации (номер борта, высота полета и др.).

Системы активной радиолокации могут быть совмещенными и разнесен­ными. В совмещенном радиолокаторе передающее и приемное устройство рас­полагаются совместно, при этом возможно поочередное использование одной и той же антенны на передачу и прием.

В разнесенной системе передающее и приемное устройства располагают­ся на определенном удалении друг от друга.

Пассивная радиолокация основана на приеме собственного радиоизлуче­ния объектов (рис. 1.1, в). Электромагнитные колебания создаются элементами объекта: его нагретыми частями (тепловое излучение в диапазоне инфракрас­ных или миллиметровых волн), радиотехническими устройствами связи, нави­гации, локации, радиопротиводействия, а также колеблющимися частицами ио­низированных участков атмосферы в окрестности объекта. Прием может осу­ществляться одним или несколькими разнесенными приемными устройствами.

При определении координат воздушных объектов в любой радиолокаци­онной системе используются определенные закономерности распространения радиоволн. Ограничимся случаем распространения радиоволн в свободном пространстве, которое является однородным, изотропным и недиспергирующим. Для всех точек такого пространства скорость распространения радиоволн одинакова, не зависит от поляризации волны и частоты колебаний (c=3*10 8 м/сек). При этом зондирующий и отраженный сигналы распростра­няются по прямолинейной траектории и без искажения своей формы. Время запаздывания Г 3 отраженного сигнала относительно зондирующего (рис. 1.2) для разнесенной системы определяется соотношением

Концентрация излучаемой энергии в ка­ком-то одном направлении и направленный прием обеспечивают существенное увеличение дальности радиолокации. Появляется возможность измерять угло­вые координаты воздушных объектов - азимут и угол места, например, по мак­симуму отраженного сигнала, а также разрешать объекты по угловым коорди­натам (рис. 1.3).

Ширина диаграммы направленности антенны радиолокатора определяется со­отношением ее геометрических размеров к длине волны. Поэтому высокие на­правленные свойства обеспечиваются за счет увеличения размеров антенны и использования дециметрового, сантиметрового и миллиметрового диапазона волн.

Даже при остронаправленном облучении объекта от его поверхности от­ражается незначительная часть излучаемой энергии. Еще в большей степени рассеяние энергии проявляется на пути от объекта до приемной антенны в силу слабой направленности вторичного излучения. Приходящие сигналы, особенно на больших дальностях, оказываются слабыми и необходимо принимать меры для их выделения на фоне помех и шумов. К числу таких мер относятся: увели­чение средней мощности сигналов передатчиков, габаритов антенн, примене­ние малошумящих приемников. Должна предусматриваться такая обработка смеси слабых сигналов и помех, при которой обеспечивается наилучшее ис­пользование взаимных различий сигнала и помех.

Большинство современных радиолокаторов формируют поток информа­ции об объектах в участке пространства, содержащем большое число разре­шаемых объемов. При этом могут использоваться принципы последовательно­го, параллельного или параллельно-последовательного составления потока ин­формации.

Принцип последовательного обнаружения объектов радиолокатором с лучом игольчатого типа наглядно изображен на рис. 1.4. Закон перемещения луча может быть различным, например, по спирали.

Путем создания пучка игольчатых лучей (рис. 1.5) реализуется принцип параллельного получения нескольких потоков информации. Каждому из лучей необходим свой приемник.

Если по одной из угловых координат (углу места) поток информации по­лучается параллельно, а по другой (азимуту) - последовательно, имеет место параллельно-последовательное составление потока информации.

Последовательные, параллельные и параллельно-последовательные пото­ки информации могут быть образованы также с помощью двух и более разде­ленных радиолокаторов. Например, радиодальномеры с диаграммой, изобра­женной на рис. 1.6 сплошной линией, образуют последовательный поток ин­формации об азимуте объектов. Специальные радиолокаторы (высотомеры) с узкой диаграммой направленности в вертикальной плоскости (пунктир на рис. 1.6) производят последовательный обзор по углу места и определяют высо­ту объектов на тех азимутах, где они обнаружены дальномером.

Для объединение и обработки информации нескольких радиолокаторов могут создаваться радиолокационные узлы (рис. 1.7). Несколько радиолокаци­онных узлов, обменивающихся информацией, образуют радиолокационную систему (рис. 1.8).

Средства радиолокации широко используются для решения задач радио­навигации, связанных с определением местоположения воздушных судов и других движущихся объектов. На рис. 1.9 изображено местоположение объекта Ц в пространстве, которое может быть отображено в сферической системе ко­ординат (D, β, ε) либо в цилиндрической системе координат (D г,β, Н).

На рисунке обозначено: D - наклонная дальность (или просто дальность); Dp - горизонтальная дальность; ft - азимут (угол между направлением на север и проекцией направления на объект в горизонтальной плоскости, отсчитываемой по часовой стрелке); £ - угол места (угол между проекцией направления на объект в горизонтальной плоскости и направлением на объект); Н - высота объекта.

Для радиолокации характерно, что весь процесс определения координат производится из одной точки (на рисунке точка О). Исключение составляют разнесенные радиолокационные системы. Непосредственно определяемыми координатами являются D, Д е. При этом можно считать, что объект Ц распо­ложен в точке пересечения трех поверхностей: сферы радиусом D и двух плос­костей (вертикальной, проходящей через точку Ц и наклонной, расположенной под углом s к горизонту). Эти поверхности являются геометрическим местом точек пространства, в которых данный измеряемый параметр постоянен, и на­зываются поверхностями положения. В навигации используются следующие методы определения местоположения объектов: дальномерный, основанный на измерении дальностей от двух различных точек (линия положения - окружно­сти); угломерный (пеленгационный), когда пеленгаторы, расположенные в раз­личных точках, определяют направления (линии положения - прямые); дальномерно-угломерный; разностно-дальномерный, когда измеряется разность расстояний от двух точек (линии положения - гиперболы) и др.

1.2. Пространственно-временная обработка

Радиолокационная информация об объектах содержится в пространственно-временном сигнале (ПВС), отраженном или излученном объектами. Ра­диолокационная информация извлекается из ПВС путем его пространственно-временной обработки, отражающей две формы существования поля. Векторное электромагнитное поле (в отличие от скалярного) характеризуется пространст­венно-временной и поляризационной структурой, поэтому пространственно-временная обработка сигнала включает три компоненты: временную, простран­ственную и поляризационную.

Следует различать принципы, способы, схемотехнику и язык описания пространственно-временной обработки сигнала.

Принципы пространственно-временной обработки сигнала сводятся к совокупности следующих трех доказанных ранее положений.

Во-первых, пространственно-временная обработка сигнала делится на два этапа: этап подавления помехи и этап выделения сигнала.

Во-вторых, подавление помехи осуществляется путем пространственно-временного дифференцирования или спектральной режекции по всему пространству наблюдения.

В-третьих, выделение сигнала осуществляется путем когерентного про­странственно-временного интегрирования или спектральной фильтрации на оп­ределенном интервале пространства наблюдения и последующего некогерент­ного пространственно-временного интегрирования на оставшемся интервале пространства наблюдения.

Способы пространственно-временной обработки сигнала: корреляцион­ный и фильтровой (возможно их сочетание). Корреляционный способ обработки предполагает наличие опорного сигнала (прообраза принятого), перемножение опорного и принятого сигналов и интегрирование (по каждому элементу раз­решения пространства наблюдения). Фильтровой способ обработки предполагает наличие одного пространственно-временного фильтра, импульсная харак­теристика которого согласована с пространственно-временной структурой сиг­нала и который обладает многомерной инвариантностью (в общем случае - ко времени запаздывания, угловому положению цели и доплеровскому смещению частоты). Оба способа обработки приводят к формированию корреляционного интеграла, модульное значение которого однозначно связано с отношением правдоподобия. Многоканальность в сочетании с простотой каждого канала при корреляционной обработке и сложность одного (единственного) простран­ственно-временного фильтра с многомерной инвариантностью при фильтровой обработке - главные привлекательные и отпугивающие характеристики этих способов.

Схемотехника, используемая для реализации корреляционного и фильт­рового способов обработки сигнала, может быть аналоговой, цифровой и опти­ческой.

Существует 2 языка описания пространственно-временного сигнала и пространственно-временной обработки - пространственно-временной и спек­тральный. Пространственно-временной язык адекватно отражает две формы существования материального мира с привычными пространственно-временными координатами х, у, z, ?, состоящего из вещества и поля, в котором мы живем. Спектральный язык, в основе которого лежит преобразование Фурье пространственно-временного процесса, описывает процессы, явления и свойст­ва материального мира в мерности другого - спектрального пространства с ко­ординатами со*, (£> у, co z , со, являющимися пространственными и временной час­тотами. Спектральный язык - это искусственный язык, нашедший в силу ряда удобств широкое распространение, особенно в радиотехнике, оптике, акустике.

Например, сформулированные выше принципы пространственно-временной обработки сигнала изложены на двух языках. Так, принцип подавления помехи на пространственно-временном языке сформулирован как про­странственно-временное дифференцирование, а на спектральном - как спек­тральная режекция. Принцип выделения сигнала на пространственно-временном языке сформулирован как пространственно-временное интегриро­вание, а на спектральном - как спектральная фильтрация.

Пространственно-временная обработка принятого сигнала является осно­вой решения всех задач радиолокационного наблюдения: обнаружения, распо­знавания, измерения, а, следовательно, основой получения всей радиолокаци­онной информации (о наличии или отсутствии цели, о классе или типе цели, о координатах и параметрах движения цели). Действительно, сформировав отно­шение правдоподобия или любую иную величину, однозначно с ним связан­ную, и испытав их на порог, можно принять решения о наличии или отсутствии цели по всем элементам разрешения пространства наблюдения с показателями качества F и D гарантирующими минимальный средний риск, т.е. решить зада­чу обнаружения.

Аналогичным образом сформировав в результате пространственно-временной обработки сигнала отношение правдоподобия по каждому элементу пространства распознавания и обеспечив тем самым получение радиолокаци­онного портрета целей как распределения комплексных амплитуд принятого сигнала по всем элементам пространства распознавания, осуществив в даль­нейшем М-канальную обработку портретов в соответствии с заложенными в эти каналы априорными сведениями об М классах распознаваемых целей, срав­нив результаты обработки и выбрав большее, можно принять решение о классе распознаваемой цели с показателями качества D K , F K , гарантирующими мини­мальный средний риск решения в условиях многоальтернативного выбора, т.е. решить задачу распознавания. И, наконец, сформировав отношение правдопо­добия и подобрав тем или иным способом такое значение измеряемого пара­метра, при котором отношение правдоподобия максимально, можно измерить координату или параметр движения цели с минимальной ошибкой, т.е. решить задачу измерения.

Таким образом, осуществляя полную пространственно-временную обра­ботку принятого сигнала и решая на этой основе задачи обнаружения, измерения, распознавания, можно получить необходимую радиолокационную инфор­мацию о целях.

1.3. Пространственно-временная обработка радиолокационной информации

Обработка радиолокационной информации предполагает объединение не на уровне сигналов, а на уровне первичной информации, т.е. единичных реше­нии о наличии и классе целей и единичных (разовых) оценок координат и па­раметров движения целей.

Пространственно-временная обработка включает: первичную обработку сигнала, вторичную и третичную обработку информации.

Под первичной обработкой подразумевается обработка принятого сиг­нала в одном пункте приема за один радиолокационный контакт с целью. Та­ким образом, такая обработка ограничена по пространству и по времени. Про­странство ограничено размерами антенной системы (единицы метров), а время - временем наблюдения (единицы - десятки миллисекунд). При этом с опреде­ленным качеством (вероятностями правильных и ложных решений, ошибками измерения) могут решаться все задачи радиолокационного наблюдения (обна­ружение, измерение, распознавание). Такую обработку сигнала принято назы­вать первичной, а извлекаемую из принятого сигнала в результате ограничен­ной по пространству и времени обработки информацию - первичной радиоло­кационной информацией, подразумевая под ней единичные решения о наличии или отсутствии целей, о классе целей, единичные оценки-замеры координат или параметров движения целей.

Как правило, в каждом пункте наблюдения к цели обращаются не один раз, а многократно. Если первичную информацию о целях объединить во времени за несколько циклов обращения к цели, то качество радиолокационной информации улучшится. Процесс объединения во времени первичной радиоло­кационной информации принято называть вторичной обработкой радиолока­ционной информации. В результате объединения во времени единичных ре­шений о наличии или отсутствии цели в том или ином элементе разрешения пространства наблюдения улучшаются характеристики обнаружения, а в ре­зультате объединения во времени единичных решений о классе цели улучша­ются характеристики распознавания. Объединением во времени единичных оценок-замеров координат и параметров движения цели уменьшаются ошибки измерения. Вторичная обработка позволяет уменьшить влияние естественных и искусственных помех, расширить объем получаемой информации путем вы­числения скорости и курса объектов или его траектории. Способы объединения во времени первичной информации и его характеристики составляют содержа­ние проблемы вторичной обработки радиолокационной информации.

Если радиолокационная система состоит из нескольких пунктов наблюдения (приема), то первичную информацию о целях можно объединить не только по времени, но и по пространству. При этом качество радиолокационной информации улучшится. Процесс объединения по пространству первичной (или вторичной) информации о целях принято называть третичной обработкой ра­диолокационной информации. Третичная обработка тоже приводит к улуч­шению характеристик обнаружения, распознавания и измерения.

Следует отметить, что первичная обработка сигнала (из одного пункта за время наблюдения) в сочетании с вторичной и третичной обработкой информа­ции не эквивалентна полной пространственно-временной обработке сигнала. Дело в том, что вторичная и третичная обработка первичной РЛИ заранее пре­допределяет некогерентное пространственно-временное объединение результа­тов первичной обработки. Типичными примерами такого объединения являют­ся АСУ воздушным движением ГА, основу которых составляют группировки некогерентных по времени и по пространству РЛС.

Однако в общем случае при многопозиционном построении радиолокационной системы с взаимной привязкой (позиций) не только по времени, но и по частоте и по фазе результаты первичной обработки сигналов, разделенные по времени и пространству, могут иметь корреляционные связи, которые долж­ны быть использованы при полной пространственно-временной обработке сиг­нала.

На рис. 1.10 изображена классификация пространственно-временной об­работки информации.

1.4. Физический смысл пространственно-временной обработки сигналов на фоне помех в адаптивных антенных решетках

Реализация адаптивных методов в радиолокации стала возможной в связи с появлением и интенсивным развитием антенных решеток. Чтобы правильно понимать и оценивать возможности таких адаптивных РЛС, необходимо рас­смотреть особенности обработки сигналов в антенных решетках и формирова­ние ими диаграмм направленности.

На рис. 1.11, а изображена диаграмма направленности (ДН) решетки, со­держащей 8 элементов в полярных координатах. Она формируется в результате весового суммирования напряжений отдельных элементов решетки на частоте . Если теперь обеспечить задержку во времени выходных сигналов от отдель­ных элементов, как это показано на рис. 1.11, б, то в результате главный лепе­сток ДН повернется на угол , где с-скорость распростране­ния сигналов в среде, d - расстояние между элементами антенной решетки,

Относительный сдвиг фазы между соседними элементами решетки.

Рис. 1.11. Диаграммы направленности 8-элементной антенной решетки:

а - исходная, б - для приема сигналов при отклонении ДН от нормали к плоскости решетки

Изменяя величины задержки выходных сигналов во времени от от­дельных элементов, можно обеспечить электрическое управление главным лепестком ДН в заданном угловом секторе.

Отношение сигнал-шум на выходе антенной решетки уменьшается при попадании на ее элементы мешающих сигналов по главному и боко­вым лепесткам. Отношение сигнал-шум падает также из-за изменения пространственных положений источников помех во времени, неудачного расположения антенной системы, а также из-за движения луча. Сказанное иллюстрирует рис. 1.12, а, где показана та же антенная решетка, что и на

Помехи \

Помела \

Рис. 1.12. Диаграмма направленности 8-элементной антенной решетки при воздействии

одного источника помехи:

а - исходная, б - с нулем, сформированным в направлении на источник помехи

рис. 1.11, а, но с направления, указанного пунктиром поступает помеховый сиг­нал с частотой . Он принимается по одному из боковых лепестков ДН. И если его мощность достаточно велика, то мощность помех на выходе решетки может оказаться сравнимой или даже существенно больше мощности полезного сигнала. Это может привести к потере работоспособности РЛС с такой антен­ной системой, если не будут приняты специальные меры. Они могут заклю­чаться в том, например, чтобы выставить весовые коэффициенты решетки так, как указано на рис. 1.12, б. При этом ДН решетки на частоте изменится сле­дующим образом. Боковой лепесток, максимум которого ранее совпадал с на­правлением на источник помехи, сместится так, что направление нулевого приема совпадет с направлением на источник помехи. Главный лепесток ДН изменится при этом незначительно. Таким образом, будет существенно сниже­на чувствительность решетки по отношению к сигналу и помехе. Можно подобрать значения весовых коэффициентов решетки так, чтобы образовать зоны нулевого приема в направлениях на несколько источников помех. Но для этого необходимо заранее знать их угловые положения. В реальных условиях такой информации обычно нет, поэтому стремятся построить адаптивные системы, которые автоматически выставляют нули в направлениях воздействия источни­ков помех. Прежде чем перейти к описанию такого рода систем, которые полу­чили название адаптивных антенных решеток, кратко рассмотрим их различные схемы построения. По своей структуре все адаптивные антенные решетки представляют собой весовые сумматоры (рис. 1.13). В фильтре, предназначен­ном для обработки узкополосных процессов (рис. 1.13, а), каждый элемент ре­шетки соединен с переменным весовым умножителем и с фазовращателем (на 90°). К его выходу подключен второй умножитель. Сигналы с выходов умно­жителей суммируются. Такая решетка обеспечивает линейную обработку узко­полосных процессов. Если необходимо обрабатывать помехи и сигналы в ши­роком диапазоне частот, то все фазовращатели необходимо заменить линиями задержки с отводами.

Рис. 1.13. Виды адаптивных антенных решеток без цепей автоподстройки весовых коэффициентов для приема узкополосных сигналов (а) и для приема широкополосных сигналов или не разделяющейся обработки (б)

К каждому отводу подключается свой весовой умножитель. Если расстоя­ние между отводами достаточно мало, то такая схема приближается к идеаль­ному фильтру, который мог бы обеспечить управление фазой и величиной сиг­нала на каждой из частот заданного диапазона. Сигналы с выходов весовых ум­ножителей суммируются для получения выходного напряжения решетки. Этот вариант схемы решетки представлен на рис. 1.13, б. В такой системе удается сформировать нули ДН в направлениях на источники помех на каждой из час­тот заданного диапазона.

Обработка радиолокационной информации - процесс приведения получаемой с РЛС информации в пригодный для дальнейшей передачи вид.

Первоначально обработка радиолокационной информации осуществлялась оператором РЛС, который наблюдал за воздушной обстановкой на экране индикатора кругового обзора (ИКО). В простейшем случае на ИКО выводилась информация с выхода приемного устройства РЛС, а люминофор ИКО (который представлял собой электронно-лучевую трубку ЭЛТ с радиально-круговой разверткой, РКР) осуществлял интегрирование радиолокационной информации. По мере развития вычислительных средств появились возможности добавления функции полуавтоматического сопровождения (полуавтомат), а впоследствии и автозахвата (автомат). В полуавтомате оператор вручную завязывал трассу цели и дальше машина обрабатывала информацию самостоятельно и только лишь при необходимости запрашивая помощи у оператора. В автомате машина самостоятельно осуществляет не только сопровождение, но и завязку трасс. Однако возможности вычислительных средств не позволяют полностью отказаться от оператора - в сложной помеховой обстановке существующие алгоритмы значительно снижают свои показатели вплоть до неработоспособности.

Первичная обработка

Обработка эхо-сигнала (в активных РЛС с пассивным ответом) или активного ответа (в системах активного запроса-ответа, САЗО, опознавание «свой-чужой») с целью выделения полезной информации на фоне естественных и искусственных помех

Вход: сигнал с приемника, антенно-фидерной системы (АФС) РЛС.

Выход: положение целей, их угловой размер, азимут и расстояние.

Проводится: устройством первичной обработки (УПО), находящимся в РЛС;

Вторичная обработка

Предназначена для формирования трасс целей на основе данных с УПО. На основе данных первичной обработки осуществляется экстраполяция положения целей - определение их курса, скорости и высоты и прогнозирование положения цели в следующем периоде обзора. В процессе вторичной обработки повышается устойчивость сопровождения целей (цель экстраполируется несколько периодов обзора после пропадания цели, что позволяет сопровождать цели с неустойчивой отметкой. Также осуществляет отбрасывание ложных целей и трасс. Первоначально в момент появления вторичная обработка осуществлялась с помощью комплексов средств автоматизации автоматизированной системы управления (КСА АСУ), современные РЛС самостоятельно осуществляют данную обработку, при этом при необходимости обработка может быть перенесена на КСА по команде его оператора.

Вход: цели, полученные первичной обработкой.

Выход: номера целей, координаты, скорость, курс, высота, а также другие характеристики в зависимости от РЛС. Результаты вторичной обработки пригодны для выдачи информации потребителям (зенитно-ракетным войскам и истребительной авиации), также применяются для управления другими радиолокационными средствами, например радиовысотомером .

Проводится: оператором сопровождения вручную; КСА АСУ или ПОРИ - пунктом обработки радиолокационной информации (на уровне радиолокационной роты) полу- и автоматически.

Третичная обработка

Суть: сопоставление информации, полученной от нескольких источников.

Вход: трассы целей, полученные в результате вторичной обработки от различных источников РЛС, координаты источников РЛИ и их характеристики.

С помощью математических методов информация уточняется и дополняется, повышается полнота данных и устойчивость сопровождения целей, а также оптимизируется работа группировки радиолокационных средств с целью получения РЛИ максимального качества с минимальным расходом ресурсов с учетом обстановки и используемых средств. Выход: трассы целей, полученные с учётом передачи цели с одной РЛС другой, точности разных источников и т. д.

Проводится: на уровне радиотехнического батальона и выше; вручную, полуавтоматически или автоматически АСУ офицером группы боевого управления или по его команде оператором.

Напишите отзыв о статье "Обработка радиолокационной информации"

Отрывок, характеризующий Обработка радиолокационной информации

Он никого не знал, и, несмотря на его щегольской гвардейский мундир, все эти высшие люди, сновавшие по улицам, в щегольских экипажах, плюмажах, лентах и орденах, придворные и военные, казалось, стояли так неизмеримо выше его, гвардейского офицерика, что не только не хотели, но и не могли признать его существование. В помещении главнокомандующего Кутузова, где он спросил Болконского, все эти адъютанты и даже денщики смотрели на него так, как будто желали внушить ему, что таких, как он, офицеров очень много сюда шляется и что они все уже очень надоели. Несмотря на это, или скорее вследствие этого, на другой день, 15 числа, он после обеда опять поехал в Ольмюц и, войдя в дом, занимаемый Кутузовым, спросил Болконского. Князь Андрей был дома, и Бориса провели в большую залу, в которой, вероятно, прежде танцовали, а теперь стояли пять кроватей, разнородная мебель: стол, стулья и клавикорды. Один адъютант, ближе к двери, в персидском халате, сидел за столом и писал. Другой, красный, толстый Несвицкий, лежал на постели, подложив руки под голову, и смеялся с присевшим к нему офицером. Третий играл на клавикордах венский вальс, четвертый лежал на этих клавикордах и подпевал ему. Болконского не было. Никто из этих господ, заметив Бориса, не изменил своего положения. Тот, который писал, и к которому обратился Борис, досадливо обернулся и сказал ему, что Болконский дежурный, и чтобы он шел налево в дверь, в приемную, коли ему нужно видеть его. Борис поблагодарил и пошел в приемную. В приемной было человек десять офицеров и генералов.
В то время, как взошел Борис, князь Андрей, презрительно прищурившись (с тем особенным видом учтивой усталости, которая ясно говорит, что, коли бы не моя обязанность, я бы минуты с вами не стал разговаривать), выслушивал старого русского генерала в орденах, который почти на цыпочках, на вытяжке, с солдатским подобострастным выражением багрового лица что то докладывал князю Андрею.
– Очень хорошо, извольте подождать, – сказал он генералу тем французским выговором по русски, которым он говорил, когда хотел говорить презрительно, и, заметив Бориса, не обращаясь более к генералу (который с мольбою бегал за ним, прося еще что то выслушать), князь Андрей с веселой улыбкой, кивая ему, обратился к Борису.
Борис в эту минуту уже ясно понял то, что он предвидел прежде, именно то, что в армии, кроме той субординации и дисциплины, которая была написана в уставе, и которую знали в полку, и он знал, была другая, более существенная субординация, та, которая заставляла этого затянутого с багровым лицом генерала почтительно дожидаться, в то время как капитан князь Андрей для своего удовольствия находил более удобным разговаривать с прапорщиком Друбецким. Больше чем когда нибудь Борис решился служить впредь не по той писанной в уставе, а по этой неписанной субординации. Он теперь чувствовал, что только вследствие того, что он был рекомендован князю Андрею, он уже стал сразу выше генерала, который в других случаях, во фронте, мог уничтожить его, гвардейского прапорщика. Князь Андрей подошел к нему и взял за руку.
– Очень жаль, что вчера вы не застали меня. Я целый день провозился с немцами. Ездили с Вейротером поверять диспозицию. Как немцы возьмутся за аккуратность – конца нет!
Борис улыбнулся, как будто он понимал то, о чем, как об общеизвестном, намекал князь Андрей. Но он в первый раз слышал и фамилию Вейротера и даже слово диспозиция.
– Ну что, мой милый, всё в адъютанты хотите? Я об вас подумал за это время.
– Да, я думал, – невольно отчего то краснея, сказал Борис, – просить главнокомандующего; к нему было письмо обо мне от князя Курагина; я хотел просить только потому, – прибавил он, как бы извиняясь, что, боюсь, гвардия не будет в деле.
– Хорошо! хорошо! мы обо всем переговорим, – сказал князь Андрей, – только дайте доложить про этого господина, и я принадлежу вам. Волкова Г.А.

ИССЛЕДОВАНИЕ АЛГОРИТМОВ ВТОРИЧНОЙ ОБРАБОТКИ РАДИОЛОКАЦИОННОЙ ИНФОРМАЦИИ

Учебное пособие к лабораторной работе

ВТОРИЧНАЯ ОБРАБОТКА

РАДИОЛОКАЦИОННОЙ ИНФОРМАЦИИ.

Введение
Обработку радиолокационной информации делят на первичную и вторичную. Устройство первичной обработки решает задачи обнаружения и измерения координат (дальности, азимута и угла места) мгновенного положения цели относительно РЛС в каждом периоде обзора .

Координаты мгновенного положения как истинных, так и ложных целей в цифровом виде поступают в устройство вторичной обработки, в котором на их основе определяется местоположение каждой обнаруженной цели в избранной системе координат, в результате чего формируются отметки х , которые могут быть истинными и ложными. Отметка – совокупность кодов дальности, азимута и угла места в определенный дискретный момент времени.

Одна отметка, полученная в каком-либо обзоре, не позволяет принять решение о наличии цели в зоне обзора, так как могла быть ложной, по ней нельзя судить о траектории движения цели.

В устройстве вторичной обработки на основе отметок , полученных в n соседних обзорах, решаются следующие основные задачи:

Обнаружение траекторий целей,

Сопровождение траекторий целей,

Траекторные расчеты в интересах потребителей радиолокационной информации.

Эти задачи включают в себя оценивание параметров траектории, задаваемой обычно векторной функцией, расчет сглаженных (интерполированных) и упрежденных (экстраполированных) координат, а также операцию стробирования отметок целей. Вторичная обработка информации осуществляется автоматически, с помощью ЦВМ.

Рассмотрим один из способов автозахвата траектории цели на примере двухкоординатной РЛС. Пусть с устройства первичной обработки переданы координаты обнаруженной цели и сформирована отметка x 1 , не принадлежащая ни одной из ранее сопровождаемых траекторий. Эту отметку принимают за начальную отметку траектории цели. Поскольку РЛС предназначена для сопровождения объектов определенного класса (например, самолетов), то известны минимальная V min и максимальная V m а x скорости цели. Поэтому можно выделить область S 2 в виде кольца с центром в первой отметке и с радиусами R min =V min T обз и R m а x =V m а x T обз, в пределах которой может находиться цель в следующем обзоре, см.рис.1. Операция формирования области называется стробированием, а сама область - стробом.

Если в строб S 2 во втором обзоре попадает отметка x 2 , то происходит завязка траектории, причем, если таких отметок несколько, то каждую из них рассматривают как возможное продолжение траектории. Если в строб не попадает ни одной отметки, то происходит сброс. Критерий завязки траектории в этом случае "2/2".

По двум отметкам можно определить направление движения и среднюю скорость цели
, затем рассчитать возможное положение отметки в очередном (третьем) обзоре. Определение положения отметки в следующем обзоре называется экстраполяцией.

На этапе автозахвата траектории принимается простейшая гипотеза о прямолинейном и равномерном движении цели. Экстраполированные значения координат вычисляются по формуле:

.

Вокруг экстраполированной отметки образуется круговой строб S 3, размеры которого определяются погрешностями измерения положения отметки цели
и погрешностями расчета положения экстраполированной отметки
:

Факт попадания очередной получаемой отметки в строб проверяется путем сравнения разности координат полученной x i и экстраполированной x э i отметок с размерами полустроба:

.

Если в строб S 3 в третьем обзоре попала одна отметка, она считается принадлежащей обнаруживаемой траектории. Процесс продолжается. Если ни одной отметки не попадает в строб, то траектория продолжается по экстраполированной отметке, но размеры строба увеличиваются.

При обнаружении траектории маневрирующего объекта размеры стробов должны рассчитываться с учетом возможного маневра. Размер строба непосредственно влияет на показатели качества обнаружения траектории. Его увеличение приводит к увеличению числа ложных отметок в стробе, в результате возрастает вероят­ность ложного обнаружения F АЗ. Уменьшение размера строба может привести к непопаданию истинной отметки в строб, при этом сни­жается вероятность правильного обнаружения D АЗ.

При гауссовском распределении погрешностей измерения коор­динат и ошибок экстраполяции для обеспечения заданной вероят­ности попадания отметки в строб его форма должна совпадать с эллипсом ошибок; при обнаружении траектории в пространстве строб - эллипсоид ошибок . Однако формирование таких стробов сопряжено с большими вычислительными затратами, и на прак­тике ограничиваются формированием стробов такой формы, ко­торая удобна для вычислений в принятой системе координат. При этом образуемый строб должен охватывать эллипс (эллипсоид) ошибок.

Траектория считается обнаруженной, если выполняется критерий обнаружения. Структурная схема алгоритма автозахвата траектории представлена на рис.2, жирными стрелками показаны линии связи, по которым передается информация в виде кодов, по остальным линиям связи передаются «нули» и «единицы», соответствующие отсутствию и наличию отметки в стробе в i -м обзоре.

Обнаружение (автозахват) траекторий.
Процесс обнаружения (автозахвата) траектории является по существу процессом проверки гипотезы Н 1 о том, что совокупность полученных в соседних обзорах отметок является траекторией цели, относительно гипотезы Н0, что все эти отметки возникли в результате ложной тревоги.

При автозахвате траекторий используются критерии Неймана-Пирсона, Байеса и Вальда. Алгоритм автозахвата может быть получен методом отношения правдоподобия. Например, при использовании критерия Байеса оптимальная процедура автозахвата сводится к формированию отношения правдоподобия Λ и сравнению его с порогом Λ 0:

где
и
- совместные плотности распре-деления отметок при условии, что справедливы гипотезы Н 1 и Н 0 соответственно.

P 0 и P 1 - априорные вероятности отсутствия и наличия траектории соответ-ственно,

С 01 и С 10 - стоимости ошибок: ложного захвата траектории и пропуска траекто-рии соответственно.

Стоимости правильных решений приняты равными нулю. При этом минимизируется величина среднего риска , где F АЗ и D АЗ - вероятности ложного автозахвата и правильного автозахвата траектории цели соответственно.

Большие выигрыши во времени автозахвата получаются при использовании последовательного анализа (критерия Вальда) , когда отношение правдоподобия формируется по мере поступления каждой i -й отметки и сравнивается с двумя порогами:
и
:
.
При превышении верхнего порога выносится решение d 1 - траектория обнаружена; если  меньше нижнего порога, то выносится решение d 0 - траектория не обнаружена. Если же
,
то принимается решение d п о продолжении испытаний: производится (i+1) -й обзор, и описанная процедура повторяется. При этом решение в среднем принимается менее, чем за n обзоров.
Обозначим через { δ i , i =l, 2, ...} последо­вательность нулей и единиц, соответствующих отсутствию или на­личию отметок в стробах, формируемых в процессе обнаружения траектории:

при наличии отметки в стробе на i -м шаге;

в противном случае.

δ i =

Отношение правдоподобия на k-м обзоре

,

путем логарифмирования упрощается:

.

Тогда алгоритм обнаружения траектории при использовании критерия Вальда

сводится к добавлению к сумме "веса"
, если δ i =1 и вычитанию "веса"
, если δ i = 0 , и сравнению суммы в порогами lnΛ Н и lnΛ В.

При этом выигрыш по сравнению с обнаружителем Неймана-Пирсона составляют во времени обнаружения истинной траектории приблизительно е АЗ =D АЗ, а во времени обнаружения ложной траектории
.

Однако, для упрощения устройств обнаружения траекторий используют неоптимальные алгоритмы, например, k/m. Так, при использовании критерия «4/5» для обнаружения траектории необходимо, чтобы после завязки траектории по критерию «2/2» еще хотя бы 2 отметки в трех последующих обзорах попали в строб (критерий подтверждения траектории "2 из 3"). Обнаруженная траектория передается на сопровождение. Если подтверждения не происходит, траектория сбрасывается.

Эффективность алгоритмов автозахвата характеризуется:

Вероятностью обнаружения истинной траектории D АЗ;

Вероятностью обнаружения ложной траектории F АЗ;

Средним временем автозахвата истинной траектории T СР АЗ;

Средним временем автозахвата ложной траектории Т СР ЛЗ.

Для расчета этих характеристик используется аппарат цепей Маркова.

Применим математический аппарат цепей Маркова к анализу устройства (автомата) захвата, работающего по следующему алгоритму: завязка траектории производится по критерию "2/2", а обнаружение фиксируется, если отметка попадает в строб хотя бы в одном из трех следующих обзоров после завязки траектории (критерий подтверждения "1/3"). Таким образом, критерий обнаружения траектории может быть назван "2+1 из 5", т.е. "3 из 5".

Считаем, что на вход устройства захвата в очередном обзоре поступает "единица", если отметка цели попадает в экстраполированный строб, и "нуль", если отметка не попадает в этот строб.

Возможные комбинации "нулей" и "единиц" в течение m циклов обзора определяют состояния автомата. Составим таблицу состояний автомата захвата для критерия "3 из 5":
№ состояния комбинации "0" и "1" характерные состояния

1 11 -завязка траектории

3 111,1101,11001 -автозахват

5 11000 -сброс траектории
По таблице состояний строится граф, см. рис. 3. В узлах графа указаны состояния автомата. Над ребрами графа указаны вероятности перехода из состояния в состояние, причем принято, что попадание отметки в строб (появление "единицы" на входе автомата) происходит с вероятностью р , а отсутствие ее в стробе (появление "нуля" на входе автомата) - с вероятностью q .

Переход системы из состояния в состояние зависит:

От того, в каком состоянии находится автомат в данный момент,

От текущего входного воздействия ("единица" или "нуль" на входе). Следовательно, состояния автомата образуют простую цепь Маркова.

Вектор начальных состояний (в нашем случае - после второго обзора, чем и определяется индекс) -

показывает, что с вероятностью произошла завязка траектории по критерию "2/2", с вероятностью
завязка траектории отсутствовала, что соответствует сбросу траектории, а остальные состояния автомата к началу третьего обзора невозможны.

Матрица вероятностей переходов легко составляется на основе графа:

,

где номер строки соответствует номеру состояния, из которого переходит автомат, а номер столбца показывает, в которое состояние переходит автомат.

Можно определить векторы состояний автомата в 3,4 и 5 обзорах:

,

И т.д.
Рассчитанные векторы состояний для 3,4 и 5 обзоров имеют вид:

,
,
.
Сумма вероятностей по строке при этом равна единице.

Третий элемент вектора состояний дает значение вероятности автозахвата траектории за соответствующее число циклов обзора:

,

,

.

Поскольку р есть вероятность попадания отметки в строб, то по своему физическому смыслу р соответствует вероятности правильного обнаружения цели в стробе автозахвата D стр, а q = 1- D стр. На рис.4а построена зависимость вероятности автозахвата от номера обзора при разных вероятностях правильного обнаружения в стробе D стр. Видно, что с увеличением номера обзора вероятность автозахвата D АЗ возрастает, причем D АЗ тем больше, чем больше D стр.

Вероятность ложного автозахвата определяется тем же соотношением, с той лишь разницей, что р есть вероятность ложной тревоги в стробе автозахвата F стр, а q = 1- F стр.

Зависимости вероятности ложного автозахвата от номера обзора при разных вероятностях ложной тревоги в стробе приведены на рис.4б.

Вероятности D стр и F стр вычисляются по формулам:

D стр =D ; F стр =MF ,

где D и F - вероятности правильного обнаружения и ложной тревоги в элементе разрешения при первичной обработке, М - число элементов разрешения в стробе.

D АЗ (n) при D стр =0,8
D АЗ (n) при D стр =0,9

F АЗ (n) при F стр =

F АЗ (n) при F стр =

рис.4,а рис.4,б

Рассмотренный выше метод определения характеристик качества работы устройства автозахвата с использованием математического аппарата цепей Маркова является строгим аналитическим методом. Однако, недостатком этого метода является громоздкость вычислений при использовании более сложных критериев. Так, например, увеличение n приводит к повышению порядка матриц, и операции с ними становятся затруднительными . В этом случае для возведения матриц в степень и выполнения других операций необходимо использовать ЭВМ. Поэтому ниже предлагается упрощенная методика вычисления характеристик качества автозахвата, позволяющая с помощью графических построений рассмотреть процесс автозахвата на плоскости случайных блужданий.

Процесс автозахвата будем рассматривать в тех же предположениях, т.е. за начало автозахвата принимается наличие двух единиц подряд. Появление нулей и единиц на следующих шагах (циклах обзора) должно привести либо к пересечению верхнего порога "автозахват", либо нижнего порога "сброс". Между моментами появления комбинации "11" и пересечением верхнего или нижнего порога процесс переходит на каждом шаге в то или иное состояние. Поскольку появление на входе устройства нулей и единиц носит случайный характер, процесс перехода устройства из одного состояния в другое эквивалентен случайным "блужданиям". При этом плоскость, на которой происходят блуждания, принято называть "плоскостью случайных блужданий".

Траекторию блуждания процесса на плоскости можно рассматривать как движение (блуждание) некоторой точки, которую обычно называют "изображающей" точкой. Таким образом, весь процесс автозахвата можно представить графически. При этом расчет характеристик качества работы устройства автозахвата значительно упрощается и составления матриц в этом случае не требуется.

На рис.5 изображен график случайных блужданий для критерия "3 из 6". По оси ординат отложены номера шагов (циклов обзора), а по оси абсцисс - число нулей в имеющейся комбинации.

Движение изображающей точки начинается с момента появления двух единиц подряд, вероятность этого состояния р 2 . Стрелками указываются возможные направления перемещения изображающей точки, т.е. переходы из одного состояния в другое. Переходы в направлении вверх по вертикали происходят с вероятностью р , а по диагонали вправо и вверх - с вероятностью q. В предположении, что отдельные состояния независимы, вычисляются вероятности нахождения точки в каждом из состояний. Случайные блуждания этой точки происходят дискретно внутри области "неопределенность" до тех пор, пока точка не окажется либо на верхней пунктирной линии (состояние "автозахват"), либо на нижней (состояние "сброс"), после чего движение изображающей точки прекращается. Видно, что автозахват может произойти на третьем, на четвертом, на пятом и на шестом шаге, при этом оказываются вычисленными вероятности автозахвата на 3-м шаге (цикле обзора)
, на 4-м шаге
, на 5-м шаге
и на 6-м шаге
.

Вычисленные вероятности автозахвата на конкретном шаге позволяют определить, путем суммирования, вероятности автозахвата за конечное число шагов. Нетрудно убедиться, что при использовании критерия "3 из 6" вероятность автозахвата за 3 шага (цикла обзора) ; за четыре шага
, за пять шагов и, наконец, за шесть шагов.

Для расчета вероятности правильного автозахвата Dаз как функции числа шагов по-прежнему считаем p = D стр, q =1 - D стр, а для расчета вероятности ложного автозахвата F АЗ принимаем p = F стр, q =1 - F стр (используя те же соотношения).

Для расчета среднего времени автозахвата воспользуемся известной формулой математического ожидания:

,

где вероятности P l (на конкретном l -м шаге) должны удовлетворять условию нормировки:

,

т.е. соответствовать полной группе событий.

Легко убедиться в том, что события "автозахват произведен на l -м цикле обзора" при l от k до m для любого критерия вида "k из m" не образуют полной группы. Поэтому для вычисления Т необходимо произвести нормировку. Для критерия автозахвата "k из m" нормировка осуществляется следующим образом:

Тогда для критерия "3 из 6" среднее время автозахвата вычисляется по формуле:

,
где
.

Для расчета среднего времени правильного автозахвата T СР АЗ подставляем p = D стр,

q =1 - D СТР, а при расчете среднего времени ложного автозахвата T СР ЛЗ:

p = F стр, q =1 - F стр.

Результаты расчета вероятностей правильного и ложного обнаружения траектории, а также среднего времени автозахвата по предлагаемой методике с использованием "плоскости случайных блужданий" полностью совпадают с расчетом, основанным на применении аппарата дискретных цепей Маркова.

Сопровождение траекторий .
Сопровождение траекторий состоит в непрерывной привязке вновь получаемых в очередном обзоре отметок к соответствующим траекториям, сглаживании координат и оценивании параметров траектории движения цели. Структурная схема алгоритма сопровождения траектории представлена на рис.8.

Пусть в результате сопровождения селектированы отметки . На основе этих отметок, полученных с ошибками, необходимо вырабатывать непрерывные данные о траектории (сглаживание или интерполяция), а также определить параметры траектории с возможно меньшей ошибкой.

Обычно траектория цели задается полиномом -й степени (сглаживающая функция) для каждой из координат (дальности, азимута и угла места). Например, для координаты дальности:

,
степень которого зависит от маневренности цели. Коэффициенты полинома
, имеющие смысл дальности r 0 , скорости V r , ускорения a r и т.д. подлежат оценке.
Оценка параметров траектории может быть произведена методом максимума функции правдоподобия, при этом роль помехи играют ошибки измерения координат, распределенные нормально с нулевым средним значением.

Функция правдоподобия отселектированных отметок
опре-деляется n -мерной гауссовской плотностью вероятностей
.

Логарифмируя
и определяя частную производную по каждой из оцениваемой величин
, составляется система уравнений правдоподобия: