Пространственно-временная обработка

Измерительные радиосистемы получают информацию об удаленных объектах путем анализа волновых полей, создаваемых этими объектами за счет собственного излучения или отражения. Структура и параметры волнового поля зависят от положения и скорости объекта, от характеристик самого объекта (размеров, формы и др.). Для извлечения информации об объекте в радиосистеме используется не все поле, а лишь небольшая часть его, попадающая в апертуру приемной антенны. Воздействуя на элементы антенны, поле образует пространственно-временной сигнал. Задачей пространственно-временной обработки является анализ результирующего поля (полезная информация, шумы, помехи) с целью определения местоположения и характеристик воздушных объектов.

Пространственная обработка включает анализ пространственной структуры поля. Основную роль в этом процессе играет приемная антенна. Временная обработка включает определение временных параметров структуры поля. Основная роль, при этом, принадлежит приемнику. В оптимальных системах эти элементы взаимосвязаны, а приемник и антенна образуют единую систему обработки пространственно-временного сигнала.

До появления фазированных антенных решеток (ФАР) и систем многопозиционного приема пространственная и временная обработки проводились независимо. В антенне осуществлялась пространственная обработка поля, а результат этой обработки – временной сигнал (ток или напряжение) подвергался временной обработке в приемнике. В соответствии с этим синтез и анализ двух основных элементов системы обработки проводились на базе самостоятельных разделов теории: теории антенн и статистической теории оптимального приема. Такой раздельный подход не реализует в полной мере оптимальность синтезируемой системы в целом, особенно в условиях воздействия внешних помех.

С развитием техники ФАР и систем многопозиционного приема появилась возможность объединить антенну и приемник в единую систему пространственно-временной обработки сигналов. При этом могут быть заданы ограничения на область пространства, где производится анализ поля (габаритные размеры антенны), на используемую область частот, на время обработки. Такие ограничения создают два основных аспекта синтеза оптимальных систем: синтез оптимальной процедуры приема пространственно-временных сигналов и оптимизация характеристик этих сигналов.

Пространственно-временная обработка сигналов связана с пространственно-временным сигналом, отраженным или излученным целями. В этом сигнале содержится радиолокационная информация о воздушных объектах в зоне обнаружения РЛС.

Радиолокационная информация (РЛИ) – это совокупность сведений о наличии или отсутствии цели в выделенных участках зоны наблюдения, о классе целей, о координатах и параметрах движения целей. Извлечение РЛИ из пространственно-временного сигнала (ПВС) означает решение следующих задач: обнаружения, распознавания, измерения координат.

Для решения задач радиолокационного наблюдения осуществляется его пространственно-временной обработкой, отражающей две формы существования электромагнитного поля. Векторное электромагнитное поле характеризуется не только пространственно-временной, но и поляризационной структурой, поэтому пространственно-временная обработка включает: временную, пространственную и поляризационную.

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

1. Пространственно-временная обработка сигнала делится на два этапа: этап подавления помехи и этап выделения сигнала.

2. Подавление помехи реализуется путем пространственно-временного дифференцирования или спектральной режекции по всему пространству наблюдения.

3. 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.

Способами пространственно-временной обработки сигналов являются: корреляционный, фильтровой, корреляционно-фильтровой. Корреляционный способ обработки предполагает наличие опорного сигнала, перемножение опорного и принятого сигналов и интегрирование. Фильтровой способ обработки предполагает наличие одного пространственно-временного фильтра, импульсная характеристика которого согласована с пространственно-временной структурой сигнала и который обладает многомерной инвариантностью ко времени запаздыванию, угловому положению и доплеровскому смещению частоты. Оба способа приводят к формированию корреляционного интеграла, модульное значение которого однозначно связано с отношением правдоподобия.

Существует 2 языка описания пространственно-временного сигнала и пространственно-временной обработки – пространственно-временной и спектральный. Пространственно-временной язык связан с пространственно-временными координатами x, y, z, t. Спектральный язык, в основе которого лежит преобразование Фурье, описывает процессы и явления с точки зрения пространственных и временных частот ω_x, ω_y, ω_z, ω. Спектральный язык – это искусственный язык.

Пространственно-временная обработка принятого сигнала является основой решения всех задач радиолокационного наблюдения.