بخشی از مقاله
چکیده
اندازهگیری تأخیر زمان دریافت فی مابین سیگنالهای آشکار شده در گیرنده ها با مکان های قرارگیری متفاوت، همواره یکی از مسائل چالش برانگیز در رادارهای غیرفعال دوپایه بوده استحساسیت. این مساله خصوصاً با افزایش نویز و سایر مؤلفه های های ناخواسته درسیگنال دریافتی، چشمگیرتر می شود. در این مقاله روش تکامل یافته حداقل میانگین مربعات نامنفی برای بهبود عملکرد فیلترهای تطبیقی در تخمین این پارامتر پیشنهاد میگردد.
به منظور ارزیابی عملکرد روش پیشنهادی، شبیه سازی انجام شده و نتایج حاصل از روش پیشنهادی با تغییر سه فاکتور موثر نسبت سیگنال به نویز، مقدار تأخیر و فرکانس داپلر موجود درسیگنال حاصل می شود. این نتایج با نتایج حاصل از آزمون چند روش موجود در همین حوزه و تحت شرایط یکسان مقایسه میگردند. نتایج به دست آمده حاکی از آن هستند که روش این پژوهش چه از نقطه نظر میانگین تخمین و چه از نقطه نظر میانگین مربع خطا، برتری قابل توجهی را نسبت به رقبای خود در حضور نویز و همچنین وجود فرکانس داپلر به دست می دهد.
.1 مقدمه
رادارهای دوپایه غیرفعال دسته ای از رادارها هستند که به دلیل نداشتن فرستنده اختصاصی، کمهزینه و غیرقابل شناسایی هستند و برای ارسال سیگنال از فرستندههای موجود در محیط بهره میگیرند. در این نوع خاص از رادار هیچگونه موج الکترومغناطیسی ساطع نشده و به جای آن از سیگنالهای موجود در محیط، نظیر سیگنالهای تلویزیون آنالوگ [2 , 1]، رادیوی اف ام [3]، فرستنده تلویزیونی دیجیتال[4]، سامانه رادیوی دیجیتال [5] ، سامانه تلفن همراه[6] و ماهواره [7] استفاده میشود.
به همین دلیل رادارهای فوق از جمله رادارهای پنهانکار بوده و به سختی تحت تدابیر مقابله جنگ الکترونیک قرار میگیرند. تخمین تأخیر زمانی رسیدن یک موج به دو گیرنده که دارای فاصله های مختلفی نسبت به هر فرستنده هستند، یکی از مسائل مطرح در این قبیل رادارها به شمار می آید. هنگامی که یک فرستنده سیگنالی را در محیط منتشر می کند این سیگنال با سرعت مشخص انتقال می یابد و اگر دو گیرنده، فاصله های متفاوتی نسبت به فرستنده داشته باشند، با تأخیر های متفاوتی موج را دریافت می کنند.
هدف تخمین مقدار صحیح تأخیر زمانی D می باشد. اگر همراه سیگنال دریافتی در گیرنده ها نویزی حضور نداشته باشد - حالت ایده ال - محاسبه مقدار تأخیر آسان است. اما در حضور نویز محاسبه همراه با خطا می باشد.[6] اغلب روشهای تخمین تأخیر زمانی، مبتنی بر تابع همبستگی بین دو سیگنال هستند. مقدار بیشینه تابع همبستگی جایی است که دو سیگنال حداکثر شباهت را نسبت به هم دارند، از این خاصیت برای تعیین میزان تأخیر ورود سیگنال بین هر دو جفت سنسور استفاده میشود. در برخی تحقیقات از تخمین تأخیر زمانی به روش همبستگی مستقیم [8] برای تخمین این تأخیر استفاده شده است.
روش همبستگی مستقیم، معروف ترین روش تخمین تأخیر زمانی میان چند محرابیان و شجاع الدینی، یک روش جدید برای استخراج تأخیر زمان دریافت سیگنال سیگنال است. این روش تنها از تابع همبستگی دو سیگنال برای تخمین زمان تأخیر بین آنها استفاده می کند. بدین صورت که تأخیر زمانی بر اساس بیشینه تابع همبستگی تخمین زده می شود. در روال اصلی این روش از هیچ تابع وزنی برای بدست آوردن تابع همبستگی استفاده نمی شود و لیکن در روش های تکمیلی با اضافه کردن توابع وزنی مختلف کارایی این الگوریتم بهبود یافته است. در کارهای پژوهشی دیگری از تخمین تأخیر زمانی به روش تابع متوسط اختلاف مربعات بهره برده شده است.
در این روش میانگین مربع خطای بین دو سیگنال بر حسب تأخیرات مختلف محاسبه می شود و تأخیر زمانی بر اساس کمینه این مقادیر، تخمین زده می شود. این روش از محاسبات کمتری نسبت به الگوریتم همبستگی مستقیم برخوردار است. یکی دیگر از روشهایی که بعدها در این حوزه مورد استفاده قرار گرفت، روش ساختار وفقی بوده است .[10-9] به این ترتیب مفهوم استفاده از یک فیلتر وفقی در تخمین تأخیر بین دو شکل موج به کار گرفته شد. در این روش تخمین تأخیر به وسیله محاسبه وزنهای فیلتر انجام میشود. از آنجا که فیلترهای وفقی در طی سالیان گذشته به طور قابل ملاحظهای مورد توجه محققین قرار گرفتهاند، در نتیجه تعداد زیادی ساختار فیلتر وفقی و الگوریتم وفقی معرفی شده است.
پرکاربردترین فیلترهای وفقی بر مبنای ساختار فیلتر ترانسورسال هستند. الگوریتمهای نوع حداقل میانگین مربعات نیز به طور رایج مورد استفاده قرار میگیرند .[11] کمینه نمودن میانگین مربع خطا، هدف بسیاری از روشهای وفقی کنونی از جمله الگوریتم LMS میباشد. میانگین مربع خطا تابع درجه دومی از وزنهاست که به صورت سطح سهموی مقعر نمایش داده میشود. تنظیم وزنها جهت حداقل نمودن خطا منوط به حرکت نزولی در روی این سطح تا رسیدن به پایینترین نقطه میباشد .[12] در برخی تحقیقات از نسخه بهبود یافته ای از LMS مانند LMS نرمال شده، LMS همبسته و LMS نشتی نیز استفاده شده است.
در مقاله پیش رو، یک الگوریتم جدید بر اساس ساختار وفقی برای تخمین مستقیم تأخیر زمانی بین دو نسخه نویزی از یک سیگنال دریافتی در گیرنده های راداری ارائه می شود. در بسیاری از سیستم هایی که در عمل با آن ها سروکار داریم نامنفی بودن قیدی است که میتواند بر روی بسیاری از پارامتر هایی که بایستی تخمین زده شوند گذارده شود . وزن هایی که با استفاده از این الگوریتم پیشنهادی به دست میآید همیشه نامنفی هستند.
الگوریتم پیشنهادی از یک فرکانس نمونه برداری مناسب استفاده میکند، در نتیجه یک مدل فیلتر پاسخ ضربه محدود برای فرآیند تأخیر حاصل شده، که از طریق بهروزرسانی، تخمین مستقیم تأخیر مشخص میشود . همچنین میانگین تخمین تأخیر و میانگین مربع خطای تأخیر استخراج میشود. شبیه سازی های انجام شده در محیط MATLAB نشان میدهد که عملکرد تخمین الگوریتم پیشنهادی علیرغم اینکه پیچیده تر از دیگر الگوریتم های وفقی شبیه سازی شده عمل می کند، چه از نقطه نظر میانگین تخمین و چه از نقطه نظر میانگین مربع خطا، تحت شرایط مختلف و مفروضات در نظر گرفته شده بر نسخه های مختلف الگوریتم های وفقی مبتنی بر LMS برتری دارد.
ساختار کلی این مقاله به صورت زیر است. در بخش 2 الگوریتم پیشنهادی مبتنی بر فیلترینگ تطبیقی مورد نظر در این مقاله تشریح می شود. در بخش 3 عملکرد روش پیشنهادی به وسیلهی شبیهسازی در شرایط مختلف نویز، داپلر و تأخیر بررسی می گردد و نتایج حاصل از این روش با سه روش موجود دیگر در شرایط مختلف مقایسه میشود. بخش پایانی مقاله نیز به نتیجهگیری اختصاص دارد.
