Кіріспе
Импульстік радиолокациялық және сонарлық сигналдарды өңдеуде екімәнділік функция – таралудың кешігуі мен Допплер жиілігінің екі өлшемді функциясы. Ол қозғалмалы нысанадан қайтарылған импульстің қабылдағышқа сәйкес келетін сүзгіде (көбінесе, бірақ тек импульстік сығу радиолокациясында ғана емес) бұрмалануын көрсетеді. Екімәнділік функция импульс пен сүзгінің қасиеттерімен анықталады, нақты нысана сценарийімен емес. Екімәнділік функцияның көптеген анықтамалары бар; кейбіреулері тар жолақты сигналдармен шектелген, ал басқалары кең жолақты сигналдардың кешігуі мен Допплер арақатынасын сипаттауға қолайлы. Көбінесе екімәнділік функцияның анықтамасы басқа анықтамалардың (Вейс) квадратына тең шама ретінде беріледі. Белгілі бір күрделі негіздік жолақты импульс үшін тар жолақты екімәнділік функция былай беріледі, мұнда күрделі конъюгат және – қиял бірлік. Нөлдік Допплер ығысы үшін бұл A-ның автокорреляциясына дейін тосып қалады. Екімәнділік функцияны көрсетудің ықшамдатылған тәсілі – нөлдік кешігу және нөлдік Допплер "қималарын" қарастырудан тұрады, яғни және , сәйкесінше. Уақыт функциясы ретінде сәйкес келетін сүзгінің шығысы (радар жүйесінде байқалатын сигнал) – Допплер қимасы, нысананың Допплер ығысымен берілген тұрақты жиілікпен: .
where denotes the complex conjugate and is the imaginary unit. Note that for zero Doppler shift , this reduces to the autocorrelation of A more concise way of representing the
ambiguity function consists of examining the one dimensional
zero delay and zero Doppler "cuts"; that is, and
, respectively. The matched filter output as a function of time (the signal one would observe in a radar system) is a Doppler cut, with the constant frequency given by the target's Doppler shift: .
Негізгі фактілер және мотивация
Импульстік доплерлік радарлар радиожиіліктік импульстарды жібереді. Әрбір импульстің белгілі бір пішіні (толқын пішіні) бар: импульстің ұзақтығы, оның жиілігі, импульс барысында жиіліктің өзгеруі және т.б. Егер толқындар бір ғана нысанға шағылысса, детектор бастапқы импульстің көшірмесін, бірақ белгілі бір уақытқа кешіктірілген (нысанның қашықтығына байланысты) және белгілі бір жиілікке ықпалдастырылған (Доплер эффектісі) сигналды көреді. Егер бастапқы сәулеленген импульстің толқын пішіні болса, онда анықталған сигнал (шуды, әлсіреуді және бұрмалануды, сондай-ақ кең жолақты түзетулерді ескермейтін болсақ): Анықталған сигнал ешқашан шудың салдарынан толыққандай сәйкес келмейді. Дегенмен, егер анықталған сигнал белгілі бір кешігу және Доплер ықпалдастығы үшін жақсы корреляцияланса, онда бұл нысанның бар екенін көрсетеді. Алайда, бұл процедура қате оң нәтижелерге, яғни дұрыс емес мәндерге алып келуі мүмкін, бірақ олар анықталған сигналмен жоғары корреляцияланған болады. Осы мағынада, анықталған сигнал екіұшты болуы мүмкін. Екіұштылық, егер және арасында жоғары корреляция болса, пайда болады. Бұл екіұштылық функциясын тудырады. -ның анықтамалық қасиеті – және арасындағы корреляцияның теңдігіне ие болуы. Әртүрлі импульс пішіндерінің (толқын пішіндерінің) әртүрлі екіұштылық функциялары болады, ал импульсты таңдауда екіұштылық функциясы маңызды рөл атқарады. Функция кешенді шамамен бағаланады; "екіұштылық" деңгейі оның абсолюттік шамасымен байланысты.
The detected signal will never be exactly equal to any because of noise. Nevertheless, if the detected signal has a high correlation with , for a certain delay and Doppler shift , then that suggests that there is an object with Unfortunately, this procedure may yield false positives, i. e. wrong values which are nevertheless highly correlated with the detected signal. In this sense, the detected signal may be ambiguous. The ambiguity occurs specifically when there is a high correlation between and for This motivates the ambiguity function The defining property of is that the correlation between and is equal to
Different pulse shapes (waveforms) have different ambiguity functions, and the ambiguity function is relevant when choosing what pulse to use. The function is complex valued; the degree of "ambiguity" is related to its magnitude .
Уақыт-жиілік үлестіріміне қатынасы
Екіжақтылық функциясы уақыт-жиілік сигналды өңдеу саласында маңызды рөл атқарады, себебі ол Вигнер-Виль таралымымен екі өлшемді Фурье түрлендіруі арқылы байланысты. Бұл қатынас басқа уақыт-жиілік таралымдарын құру үшін негізгі болып табылады: екі сызықты уақыт-жиілік таралымдары екі өлшемді сүзгілеу арқылы екіжақтылық доменінде (яғни, сигналдың екіжақтылық функциясы) алынады. Бұл таралым класы қарастырылып отырған сигналдарға жақсырақ бейімделуі мүмкін. Сонымен қатар, екіжақтылық таралымын сигналды терезелік функция ретінде пайдаланып, сигналдың қысқа мерзімді Фурье түрлендіруі ретінде қарастыруға болады. Осы тұжырым уақыт-жиілік доменінің орнына уақыт-масштаб доменіндегі екіжақтылық таралымын анықтауға қолданылды.
Идеалдық екіжақтылық функциясы
Қызықты екіжақтылық функциясы – 2 өлшемді Дирак дельта функциясы немесе "төбешік" функциясы; яғни, (0,0) нүктесінде шексіз, ал қалған жерлерде нөлге тең болатын функция. Мұндай екіжақтылық функциясы шатастыру тудыруы мүмкін, себебі онда ешқандай екіұштылық болмайды, ал нөлдік кешігу және нөлдік Доплер кесімі импульс болады. Бұл көбінесе қажет емес (егер нысана белгісіз жылдамдықтан Доплер қабаттауын көрсетсе, ол радар экранынан жоғалады), бірақ Доплер өңдеуі жеке жүргізілсе, дәл Доплер жиілігін білу басқа нысаналардан кедергісіз қашықтықты анықтауға мүмкіндік береді, егер олар да дәл сол жылдамдықпен қозғалмаса. Осындай екіжақтылық функциясы идеалды ақ шу арқылы туындайды (шегі жоқ ұзақтығы және шегі жоқ жолақ ені). Дегенмен, мұндай жағдайға шексіз қуат қажет, ал ол физикалық тұрғыдан мүмкін емес. Екіжақтылық функциясының анықтамасынан мұндай импульс жасауға болмайды. Бірақ, жуықтаулар бар, және максималды ұзындықтағы тізбектерді қолданатын бинарлық фазалық модуляция сияқты шу тәрізді сигналдар осы жағынан ең жақсы нәтижелерді көрсетеді.
LFM импульсі
Әдетте қолданылатын радар немесе сонар импульсі - сызықты жиілік модуляцияланған (LFM) импульс (немесе "шыбыр"). Оның артықшылығы - импульс ұзақтығын қысқа ұстап, конвертін тұрақты сақтай отырып, кеңірек жолақтылыққа ие болуы. Тұрақты конверттегі LFM импульсы шаршы импульстің сияқты екі мәнді функцияға ие, бірақ ол кідіріс-Допплер жазықтығында қисайтылған. LFM импульсі үшін шамалы Допплер сәйкессіздіктері импульстің жалпы пішінін өзгертпейді және амплитудасын аздап ғана төмендетеді, бірақ олар импульсті уақыт бойынша ығыстырады. Осылайша, түзетілмеген Допплер ығысуы нысананың көзге көрінетін қашықтығын өзгертеді; бұл құбылыс қашықтық-Допплер байланысы деп аталады.
in time. Thus, an uncompensated Doppler shift changes the target's apparent range; this phenomenon is called range Doppler coupling.
Көп статикалық екіжақтылық функциялары
Бір-біріне орналаспаған бірнеше таратушы және/немесе қабылдағыштардан тұратын (соның ішінде екістатикалық радиолокаторды ерекше жағдай ретінде қамтитын) көпстатикалық радиолокаторларға да екімәнділік функциясын қолдануға болады. Мұндай радиолокаторлар үшін моностатикалық жағдайдағы уақыт пен қашықтық арасындағы қарапайым сызықтық байланыс қолданылмайды, оның орнына ол нақты геометрияға – яғни таратушы(лар), қабылдағыш(тар) және нысананың өзара орналасуына байланысты болады. Сондықтан көпстатикалық екімәнділік функциясы берілген көпстатикалық геометрия және жіберілген толқын пішіні үшін екі немесе үш өлшемді координат және жылдамдық векторларының функциясы ретінде анықталуы тиімді. Моностатикалық екімәнділік функциясы сәйкес келетін сүзгіден туындайтыны сияқты, көпстатикалық екімәнділік функциясы да сәйкес келетін оптималдық көпстатикалық детектордан туындайды – яғни, барлық қабылдағыштардағы сигналдарды бірлесіп өңдеу арқылы белгілі жалған дабыл ықтималдығында анықтау ықтималдығын барынша арттыратын детектор. Бұл анықтау алгоритмінің сипаты көпстатикалық жүйедегі әрбір екістатикалық жұптың байқаған нысананың ауытқуларының өзара байланысты болуына немесе болмауына байланысты. Егер байланыс болса, оптималдық детектор алынған сигналдарды фазалық үйлесімді қосу арқылы орындайды, бұл нысана орналасқан жерін анықтауда өте жоғары дәлдікке әкелуі мүмкін. Әйтпесе, оптималдық детектор алынған сигналдарды үйлесімсіз қосу арқылы орындайды, бұл әртүрлілік күшіне ие болады. Мұндай жүйелер кейде MIMO радиолокаторлары деп сипатталады, себебі олардың ақпараттық теориялық ерекшеліктері MIMO байланыс жүйелеріне ұқсас.