Регистрация / Вход
Прислать материал

14.576.21.0041

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.576.21.0041
Тематическое направление
Транспортные и космические системы
Исполнитель проекта
Общество с ограниченной ответственностью "Кластек"
Название доклада
Разработка и изготовление макета высокопроизводительной системы многомерной цифровой обработки радиолокационных эхо-сигналов
Докладчик
Царьков Алексей
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Цели исследования:
Разработка принципов построения высокопроизводительных систем многомерной цифровой обработки радиолокационных эхо-сигналов, алгоритмов управления и их программной реализации.
Создание макета системы многомерной цифровой обработки радиолокационных эхо-сигналов.

Задачи исследования:
1) Выработка технических решений по построению архитектуры высокопроизводительной системы многомерной цифровой обработки радиолокационных сигналов (МЦОРС)
2) Разработка алгоритмов обработки сигналов и методов их программной реализации
3) Разработка макета системы МЦОРС
4) Разработка программы и методики экспериментальных исследований
5) Создание и проведение экспериментальных исследований макета системы МЦОРС
Актуальность и новизна исследования
Быстрота и качество цифровой обработки большого объема информации играет ключевую роль в архитектурном построении аппаратной части современных бортовых радиолокационных систем (БРЛС). Реализовать максимальные возможности аппаратной части можно с помощью высокопроизводительных систем цифровой обработки сигналов. В рамках настоящего ПНИ предлагается разработать макет высокопроизводительной системы многомерной цифровой обработки радиолокационных эхо-сигналов на основе программируемых логических интегральных схем (ПЛИС). Подобная система сможет успешно обрабатывать потоки данных высокой плотности, поступающие от антенной решетки. В дальнейшем, благодаря использованию ПЛИС, такая система может стать унифицированной платформой цифровой обработки сигналов для БРЛС различного назначения.
Описание исследования

Область прикладных исследований разделена на цифровой синтез и оцифровку широкополосных радиолокационных сигналов, первичную и вторичную цифровую обработку радиолокационной информации. Исследование проводились с использованием методов численного моделирования радиолокационных сигналов на основе сведений из опубликованной научной, научно-технической, нормативной и методической литературы.

Исследования по созданию универсальной высокопроизводительной системы цифровой обработки радиолокационных данных осуществлялись в направлении обеспечения масштабируемости системы путем создания соответствующей библиотеки программных средств для ПЛИС. При разработке алгоритмов цифровой обработки сигналов необходимо учитывать, что при расчете импульсной характеристики согласованного фильтра необходим учет комплексной передаточной функции приемо-передающего тракта сигнала. Для достижения критических значений девиации частоты ЛЧМ-сигнала, лежащих в диапазоне нескольких сотен МГц, необходимо разработать алгоритмы с конвейризаций вычислений: использование возможностей ПЛИС по параллельной организации выполнения операций и вычислений. 

Методика определения технических требования к ПЛИС и дополнительной аппаратной части макета системы МЦОРС лежит в области оценки скорости работы ПЛИС с внешней памятью. Наибольшая скорость при обработке ЛЧМ-сигнала с большой временной выборкой возможна в случае буфферизации измерений во внешней памяти. Для обоснования выбора технических решений были проведены теоретические исследования с использованием модели передачи и приема широкополосного радиолокационного сигнала при зондировании подстилающей поверхности с помощью узконаправленной антенной решетки. Сформулированы критерии эффективности системы цифровой обработки радиолокационных сигналов.

В ходе исследований алгоритмов цифрового синтеза сжатых импульсов были проработаны многочисленные варианты реализации синтеза сжатых импульсов, приведены и проанализированы на предмет применимости в разрабатываемом макете системы МЦОРС их характеристики. Была выработана методика нахождения оптимальных начальных значений для генерации псевдослучайных
бинарных последовательностей максимальной длины, а также для генерации подпоследовательностей псевдослучайных последовательностей оптимальных с точки зрения уровня боковых лепестков непериодической автокорреляционной функции. 

Исследование вариантов реализации и моделирование алгоритмов первичной корреляционной обработки на основе БПФ и ОБПФ показало, что для удовлетворения требований по точности и скорости выполнения алгоритмов необходимо использование архитектуры сверхдлинного БПФ длины около 128 тысяч точек для сжатия сигналов по дальности. Моделирование амплитудных и фазовых искажений в аналоговом тракте, а также исследование эффективности способов их компенсации подтверждают возможность снижения эффектов от вносимых искажений до уровня общей неопределенности вычислений при обработке радиолокационных сигналов в макете системы МЦОРС.

Архитектурные решения по аппаратной реализации макета системы МЦОРС построены на основе анализа требований к алгоритмам и способам их программной реализации, временных диаграмм работы РЛС и результатов создания и проведения испытаний макета системы МЦОРС. С целью повышения ремонтопригодности и удобства отладки разрабатываемого оборудования система первичной обработки данных блока МЦОРС имеет модульную структуру. Основные составляющие компоненты данной системы (АЦП, ЦАП и ПЛИС) располагаются на отдельных платах и обладают собственными цепями питания и тактирования, а также содержат соответствующие порты ввода-вывода для связи между собой и с внешним оборудованием.

Программная реализация алгоритмов многомерной обработки радиолокационных эхо-сигналов и алгоритмов управления выполнена в виде отдельных модулей и имеет следующую структуру:
1. Алгоритм приема сигналов.
2. Алгоритм фильтрации.
3. Алгоритм демодуляции.
4. Алгоритм анализа спектра.
5. Алгоритм генерации сигналов в составе:
5.1. Модуля генерации ЛЧМ сигналов;
5.2. Модуля генерации сигналов псевдослучайной двоичной последовательности.

Особенность данной реализации заключается в том, что в алгоритме приема сигналов реализован корреляционный приемник методом «быстрой свертки», алгоритм фильтрации основан на использовании полосового фильтра с конечной импульсной характеристикой. Демодуляция сигналов с линейной частотной модуляцией строится на базе коррелятора, алгоритмы генерации сигналов обеспечивают необходимую широкополосность системы.

 

Результаты исследования

На первом этапе исследований разработаны технические предложения и требования по архитектуре, алгоритмам и методам их программной реализации.  Проведены предварительные расчеты необходимых ресурсов для обеспечения обработки сигнала. Выработаны технические требования и предложения по блоку цифровой обработки отраженного радиолокационного сигнала. Разработан макет измерительной РЛС для проведения исследовательских испытаний по сбору радиолокационных эхо-сигналов при различных конфигурациях. Определены элементы и разработаны технические решения аппаратной части макета системы МЦОРС.

На втором этапе разработана эскизная конструкторская документация и изготовлена дополнительная аппаратная часть макета системы МЦОРС. Изготовлен и введен в эксплуатацию макет измерительной РЛС для проведения исследовательских испытаний. Проведены исследовательские испытания по сбору радиолокационных эхо-сигналов. Разработаны алгоритмы, необходимые для многомерной обработки сигналов. Разработаны методы программной реализации алгоритмов многомерной обработки сигналов на выбранной ПЛИС.  Разработана архитектура макета системы МЦОРС с учетом требуемого времени вычисления в одном цикле обработки эхо-сигналов.

На третьем этапе разработана программа и методики автоматизированного тестирования аппаратной части системы МЦОРС. Изготовлен и введен в эксплуатацию стенд ля автоматизированного тестирования. Разработана и изготовлена аппаратная часть макета системы МЦОРС и проведено автоматизированное тестирование ее работы. Изготовленные модули макета имеют размеры не более 19х10х5 см каждый и
обеспечивают суммарную пропускную способность 103,8 Гб/с, синтез сигналов с шириной полосы до 1425 МГц и оцифровку сигналов с шириной полосы до 500 МГц. По результатам тестирования качество аппаратной реализации макета позволяет использовать его в дальнейшем для проведения натурных исследований.

На четвертом этапе исследований разработан, изготовлен и введен в эксплуатацию стенд для исследовательских испытаний макета системы МЦОРС. Выполнена в виде отдельных модулей на языке VHDL программная реализация алгоритмов многомерной обработки радиолокационных эхо-сигналов и алгоритмов управления (генерации) , разработана программная документация.Проведена интеграция разработанного программного обеспечения в аппаратную часть макета системы МЦОРС. Проведены исследовательские испытания макета системы МЦОРС. Проведенные испытания демонстрируют, что разрабатываемая архитектура макета системы МЦОРС и разработанное программное обеспечение, интегрированное в макет покрывает весь спектр требований, предъявляемый к обработке радиолокационных эхо-сигналов.

Аналогичные разработки мирового уровня – универсальные цифровые системы синтеза и обработки радиолокационных сигналов с прямым синтезом и оцифровкой без промежуточной частоты – применяются в радиолокаторах с шириной полосы несколько сотен мегагерц. В рамках исследований разрабатываются принципы построения универсальных цифровых систем обработки радиолокационных сигналов с шириной полосы более одного гигагерца, открывая тем самым возможность применения радиолокаторов для сверхточного восстановления формы зондируемых поверхностей, таким образом ожидаемые результаты проекта соответствуют передовому научному уровню.

Практическая значимость исследования
Переход на цифровые методы обработки сигналов и замена аналоговых компонентов и цепей системами цифровой обработки сигналов - главная тенденция развития современной радиолокации, позволяющая значительно увеличить точность и воспроизводимость результатов. Реализация алгоритмов цифровой обработки радиолокационных сигналов на ПЛИС позволяет создавать гибкие и универсальные системы, обладающие высокой пропускной способностью и большой вычислительной мощностью.

Распараллеливание и конвейеризация вычислений на ПЛИС обеспечивают обработку сигналов с шириной полосы до 1,4 ГГц в режиме реального времени, а также позволяют осуществлять цифровой синтез зондирующих сигналов сложной формы.Использование программируемых логических интегральных схем позволяет полностью или частично изменять алгоритмы работы и схему их взаимодействия за время порядка 500мс.

Разработанный в ходе исследований макет малогабаритного радиолокатора X-диапазона может стать унифицированной платформой цифровой обработки сигналов для построения бортовых радиолокаторов различного назначения. Разработанная система будет способная заменить существующие громоздкие, низкофункциональные и уникальные для каждого комплекса системы обработки радиолокационных сигналов, тем самым создав единый базис для разработки систем вторичной обработки радиолокационных сигналов под конкретные применения летательных аппаратов.
Постер

Poster_clustech.ppt