СПОСОБ ПАССИВНОГО ОБНАРУЖЕНИЯ ВОЗДУШНЫХ ОБЪЕКТОВ Российский патент 2013 года по МПК G01S13/02 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах контроля воздушного пространства с использованием прямых и рассеянных воздушными объектами радиосигналов, излучаемых множеством неконтролируемых и контролируемых передатчиков радиоэлектронных систем различного назначения.

Достижение высокой эффективности обнаружения, локализации и идентификации воздушных объектов ограничивается существенной априорной неопределенностью размеров, ориентации в пространстве, отражающих свойств и параметров движения объектов, а также несовершенством известных способов обнаружения и слежения за воздушными объектами.

Технология пассивного обнаружения и слежения за объектами, использующая естественный радиоподсвет воздушных целей, создаваемый на множестве частот радиоизлучениями передатчиков различного назначения в диапазонах коротких, метровых, дециметровых и сантиметровых волн: широковещательные (коммерческое FM-радиовещание, телевидение высокой четкости), информационные (связь) и измерительные (управление, навигация), пока еще не получила достаточного распространения, несмотря на то, что может существенно повысить скрытность и эффективность обнаружения, пространственной локализации и идентификации широкого класса подвижных объектов.

Принятый радиосигнал, как правило, включает мощные прямые радиосигналы и рассеянные от земной инфраструктуры компоненты сигнала выбранного передатчика радиоподсвета целей. Кроме того, он содержит задержанные по времени и сдвинутые на частоту доплеровского смещения рассеянные объектами сигналы, а также сигналы других неконтролируемых источников, работающих на частоте, совпадающей с частотой приема. Для эффективного обнаружения и точной пространственной локализации широкого класса объектов (автомобили, корабли, самолеты и беспилотные летательные аппараты, вертолеты, ракеты, спускаемые аппараты) необходимо качественное выделение слабых рассеянных от объектов радиосигналов на фоне мощного прямого сигнала выбранного передатчика радиоподсвета, а также на фоне сигналов других нежелательных источников. В наиболее типичных ситуациях уровень помех на 40-60 дБ превышает уровень рассеянных сигналов.

Известен способ пассивного обнаружения воздушных объектов [1], заключающийся в том, что выбирают передатчики, излучающие радиосигналы с расширенным спектром, синхронно принимают решеткой антенн многолучевые радиосигналы, включающие прямые радиосигналы передатчиков и рассеянные от объектов радиосигналы этих передатчиков, синхронно преобразуют ансамбль принятых антеннами радиосигналов в цифровые сигналы, из цифровых сигналов формируют прямые и сжатые рассеянные сигналы, сравнивают выделенные прямые и рассеянные сигналы и определяют временные задержки, доплеровские сдвиги и направления прихода рассеянных сигналов, по временным задержкам, доплеровским сдвигам и направлениям прихода выполняют обнаружение и пространственную локализацию воздушных объектов.

Недостатком данного способа является ограниченная дальность обнаружения воздушных объектов вследствие отсутствия операций компенсации когерентных помех, возникающих за счет просачивания прямого радиосигнала передатчика подсвета в канал приема рассеянных объектами радиосигналов.

Более эффективным является способ пассивного обнаружения воздушных объектов [2], свободный от этого недостатка и выбранный в качестве прототипа. Согласно этому способу:

принимают двумя пространственно совмещенными приемными каналами прямой радиосигнал от передатчика подсвета и рассеянный от объекта радиосигнал;

синхронно преобразуют принятые радиосигналы в комплексные цифровые сигналы, которые синхронно регистрируют на заданном временном интервале;

из комплексных цифровых сигналов формируют сигнал комплексной взаимно корреляционной функции, зависящей от частотного сдвига принятых сигналов;

исключают центральную часть комплексной взаимно корреляционной функции и получают сигнал модифицированной комплексной взаимно корреляционной функции;

преобразуют сигнал модифицированной комплексной взаимно корреляционной функции в модифицированный рассеянный комплексный цифровой сигнал;

формируют сигнал зависящей от временного и частотного сдвигов комплексной двумерной взаимно корреляционной функции между модифицированным рассеянным комплексным цифровым сигналом и прямым комплексным цифровым сигналом;

из сигнала комплексной двумерной взаимно корреляционной функции выделяют сжатые рассеянные сигналы и определяют их параметры, которые используют для обнаружения и пространственной локализации объектов.

Способ-прототип включает операции компенсации когерентных помех, возникающих за счет просачивания прямого радиосигнала передатчика подсвета в канал приема рассеянных объектами радиосигналов. При этом способ-прототип осуществляет сжатие спектра мощного прямого радиосигнала и его последующую режекцию в частотной области, чем обеспечивает повышение отношения сигнал/помеха принятого слабого рассеянного радиосигнала. Однако такая одномерная режекция удаляет все рассеянные радиосигналы с малыми значениями доплеровского сдвига частоты на всех возможных дальностях обнаружения, то есть приводит к невозможности обнаружения объектов с малой радиальной скоростью.

Таким образом, недостатком способа-прототипа является невозможность обнаружения объектов с малой радиальной скоростью.

Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности обнаружения объектов с малой радиальной скоростью.

Возможность обнаружения объектов с малой радиальной скоростью достигается за счет:

- применения операций формирования двухмерной взаимно корреляционной функции, зависящей от временного и частотного сдвигов принятых сигналов, вместо одномерной взаимно корреляционной функции, зависящей только от частотного сдвига принятых сигналов;

- применения вместо одномерной корреляционной фильтрации операций двухмерной корреляционной фильтрации принятых сигналов, обеспечивающих режекцию мощного прямого радиосигнала передатчика подсвета, являющегося когерентной помехой, маскирующей слабые рассеянные воздушными объектами радиосигналы.

Технический результат достигается тем, что в способе пассивного обнаружения воздушных объектов, заключающемся в том, что когерентно принимают двумя пространственно совмещенными приемными каналами прямой радиосигнал от передатчика подсвета и рассеянный воздушным объектом радиосигнал, синхронно преобразуют принятые радиосигналы в комплексные цифровые сигналы, которые синхронно регистрируют на заданном временном интервале, согласно изобретению из комплексных цифровых сигналов формируют сигнал зависящей от временного и частотного сдвигов комплексной двухмерной взаимно корреляционной функции (ДВКФ), исключают центральную часть комплексной ДВКФ и получают сигнал модифицированной комплексной ДВКФ, из сигнала модифицированной комплексной ДВКФ и прямого комплексного цифрового сигнала формируют модифицированный рассеянный комплексный цифровой сигнал, формируют результирующий сигнал комплексной ДВКФ между модифицированным рассеянным комплексным цифровым сигналом и прямым комплексным цифровым сигналом, из результирующего сигнала комплексной ДВКФ выделяют сжатые рассеянные сигналы и определяют их параметры, которые используют для обнаружения и пространственной локализации воздушных объектов.

Операции способа поясняются чертежами:

Фиг.1. Структурная схема устройства, реализующего предложенный способ пассивного обнаружения воздушных объектов;

Фиг.2. Схема функционирования устройства, реализующего предложенный способ.

Устройство (фиг.1), в котором реализуется предложенный способ, содержит последовательно соединенные систему приема и предварительной обработки 1, систему моделирования и выбора радиопередатчиков (РПД) 2 и вычислительную систему 3.

В свою очередь система приема и предварительной обработки 1 включает канал приема прямого радиосигнала, включающий антенную систему (АС) 1-1, преобразователь частоты 1-2, АЦП 1-3, а также канал приема рассеянных радиосигналов, включающий АЦП 1-4, преобразователь частоты 1-5 и АС 1-6.

Вычислительная система 3 включает устройство компенсации помех 3-1, формирователь сигнала результирующей ДВКФ 3-2 и устройство обнаружения и локализации объектов 3-3.

При этом система 2 соединена с входом устройства 3-3, а также имеет интерфейс для соединения с внешней базой РПД. Кроме того, устройство 3 имеет выход, предназначенный для подключения к внешним системам.

Подсистема 1 является аналогово-цифровым устройством и предназначена для приема прямых радиосигналов с применением направленной АС 1-1 и для приема рассеянных объектами радиосигналов с применением направленной АС 1-2, а также для преобразования принятых радиосигналов в комплексные цифровые сигналы.

Отметим, что после того как параметры синхронизации прямого радиосигнала выбранного передатчика подсвета измерены или когда они априорно известны, прямой радиосигнал передатчика может быть сформирован путем моделирования в системе 2.

Преобразователи частоты 1-2 и 1-5 выполнены с общим гетеродином и с полосой пропускания каждого канала, изменяемой в соответствии с шириной спектра принимаемого радиосигнала. Общий гетеродин обеспечивает двухканальный когерентный прием сигналов. АЦП 1-3 и АЦП 1-6 также синхронизированы сигналом одного опорного генератора (для упрощения гетеродин и опорный генератор на схеме не показаны).

Подсистема 2 является вычислительным устройством и предназначена для идентификации, отбора и периодического обновления передатчиков радиосигналов с расширенным спектром, используемых для подсвета заданной области воздушного пространства, а также для формирования модельных сигналов выбранных передатчиков.

Вычислительная система 3 предназначена для компенсации когерентных помех, возникающих за счет просачивания прямого радиосигнала передатчика подсвета в канал приема рассеянных объектами радиосигналов (устройство 3-1), формирования сигнала результирующей комплексной ДВКФ и идентификации сжатых рассеянных сигналов (устройство 3-2), обнаружения и формирования пространственных координат воздушных объектов (устройство 3-3).

Таким образом, состав устройства, реализующего предложенный способ, позволяет решить две основные проблемы: проблему выбор РПД - источников радиоподсвета, обеспечивающих приемлемые характеристики облучения воздушных объектов и проблему подавления прямого радиосигнала, превышающего полезный радиосигнал по уровню на 40-60 дБ.

Укрупненная схема функционирования устройства, реализующего предложенный способ пассивного обнаружения воздушных объектов, представлена на фиг.2.

Схема включает передатчик РПД с известным местоположением, излучающий радиосигнал с расширенным спектром, а также станцию обнаружения-пеленгования (СОП). Радиосигнал передатчика РПД распространяется земной или поверхностной волной, которая в виде прямого (опорного) радиосигнала принимается каналом приема прямого радиосигнала СОП. Кроме того, радиосигнал передатчика РПД распространяется волной, облучающей заданную область воздушного пространства и принимаемой СОП в виде рассеянного воздушным объектом радиосигнала и в виде прямого радиосигнала, являющегося когерентной помехой для слабого рассеянного воздушным объектом радиосигнала.

Объект характеризуется модулем V_ц вектора скорости, углом φ между вектором скорости объекта и биссектрисой бистатического угла, величиной бистатического угла θ, а также расстоянием r₁ от передатчика радиоподсвета РПД до объекта, расстоянием r_ц от объекта до приемной антенны СОП и расстоянием d от передатчика радиоподсвета РПД до СОП.

Передатчик РПД условно может быть отнесен к одному из классов: неконтролируемые (неуправляемые) и контролируемые (управляемые). Например, если передатчик РПД специально не создавался для совместной работы со станцией обнаружения-пеленгования и не имеет линий связи со станцией обнаружения-пеленгования, он может рассматриваться как неконтролируемый (неуправляемый). В качестве неконтролируемых передатчиков могут быть выбраны любые системы или устройства, излучающие в диапазонах коротких, метровых, дециметровых и сантиметровых волн радиосигналы с расширенным спектром и удовлетворяющие следующим требованиям: пространственное положение, должно обеспечивать прямую видимость между передатчиком и системой обнаружения (если параметры радиосигнала с точностью до синхронизации априорно известны, то прямая видимость между передатчиком и системой обнаружения не требуется); частота и мощность излучаемого радиосигнала должны обеспечивать эффективное обнаружение широкого класса воздушных объектов. Примером неконтролируемых передатчиков могут быть передатчики связных, информационных и измерительных радиосистем различного назначения. Если передатчик РПД специально создан для решения задачи обнаружения воздушных объектов совместно со станцией обнаружения-пеленгования, то этот передатчик может быть отнесен к классу контролируемых (управляемых). При этом для управления режимами работы передатчика РПД предусматривается линия связи со станцией обнаружения-пеленгования.

Устройство работает следующим образом.

В системе 2 на основе данных внешней базы радиопередатчиков подсвета с использованием программных средств моделирования идентифицируется, выбирается и периодически обновляется совокупность передатчиков, излучающих радиосигналы с расширенным спектром. При моделировании оцениваются возможные зоны покрытия, вероятности обнаружения и достижимые точности локализации и идентификации воздушных объектов различного класса, которые могут быть обеспечены при различных вариантах размещения передатчиков относительно станции обнаружения-пеленгования. Кроме того, в системе 2 регенерируются принятые прямые радиосигналы или формируются модельные сигналы передатчиков с требуемыми параметрами синхронизации.

Параметры выбранного передатчика (номер, несущая частота, ширина спектра, форма, параметры синхронизации и мощность излучаемого сигнала, координаты или расстояние и угловое положение относительно СОП) запоминаются в подсистеме 2, поступают в устройство 3-3, а также используются для настройки преобразователей частоты 1-2 и 1-5. С целью упрощения цепи управления преобразователями частоты 1-2 и 1-5 не показаны.

По сигналам системы 2 АС 1-1 наводится на заданное азимутально-угломестное направление приема прямого сигнала выбранного РПД, АС 1-2 наводится на заданное азимутально-угломестное направление приема рассеянного радиосигнала, а преобразователи частоты 1-2 и 1-5 перестраиваются на заданную частоту приема f_k. Прямой радиосигнал x₁(t) выбранного передатчика с расширенным спектром и рассеянный воздушным объектом радиосигнал x₂(t) этого передатчика когерентно принимаются на частоте f_k двумя пространственно совмещенными приемными каналами.

Принятый АС 1-1 зависящий от времени t прямой радиосигнал x₁(t), а также принятый АС 1-6 зависящий от времени t рассеянный радиосигнал x₂(t) переносится на более низкую частоту в преобразователях частоты 1-2 и 1-5 соответственно.

Сформированные в преобразователях частоты 1-2 и 1-5 радиосигналы x₁(t) и x₂(t) синхронно преобразуются с помощью АЦП 1-3 и АЦП 1-4 в прямой комплексный цифровой сигнал и в рассеянный комплексный цифровой сигнал , где z - номер временного отсчета сигнала. Комплексные цифровые сигналы и совместно со значением азимутально-угломестного направления приема (α, β) рассеянных радиосигналов поступают в устройство компенсации помех 3-1, где синхронно регистрируются на заданном временном интервале.

Кроме того, в устройстве 3-1 выполняются следующие действия:

- из комплексных цифровых сигналов и формируется сигнал, зависящий от временного τ и частотного F сдвигов комплексной ДВКФ ;

- исключается центральная часть комплексной ДВКФ и получается сигнал модифицированной комплексной ДВКФ ;

- из сигнала модифицированной комплексной ДВКФ и прямого комплексного цифрового сигнала формируется модифицированный рассеянный комплексный цифровой сигнал .

При формировании модифицированного рассеянного комплексного цифрового сигнала выполняются следующие действия:

а) суммируются значения сигнала модифицированной комплексной ДВКФ для получения сигнала ;

б) выполняется обратное дискретное преобразование Фурье (ДПФ) сигнала и получается сигнал , где - оператор обратного ДПФ;

в) найденный сигнал умножается на комплексно сопряженный цифровой прямой сигнал и получается модифицированный рассеянный комплексный цифровой сигнал , где * - обозначает комплексное сопряжение.

Возможен другой способ, при котором формирование модифицированного рассеянного комплексного цифрового сигнала осуществляется по формуле . Этот способ обеспечивает более высокую устойчивость к амплитудным флуктуациям сигналов.

Описанные операции являются ключевыми при достижении указанного технического результата, так как вместо одномерного сжатия мощного прямого радиосигнала (когерентной помехи) только по частоте осуществляется его двухмерное сжатие по времени и по частоте, а также последующая двухмерная режекция сжатого сигнала в частотно-временной области. Это обеспечивает повышение отношения сигнал/помеха принятого слабого рассеянного радиосигнала. При этом сохраняются принятые рассеянные радиосигналы с малыми значениями доплеровского сдвига частоты на всех возможных дальностях обнаружения, что обеспечивает возможность обнаружения объектов с малой радиальной скоростью;

Полученный модифицированный рассеянный комплексный цифровой сигнал совместно с прямым комплексным цифровым сигналом и значением азимутально-угломестного направления приема (α, β) рассеянного радиосигнала поступают в формирователь результирующего сигнала ДВКФ 3-2.

В формирователе результирующего сигнала ДВКФ 3-2 выполняются следующие действия:

- формируется результирующий сигнал комплексной ДВКФ между модифицированным рассеянным комплексным цифровым сигналом и прямым комплексным цифровым сигналом ;

- из результирующего сигнала комплексной ДВКФ выделяются сжатые рассеянные сигналы и определяются их параметры, которые используются для обнаружения и пространственной локализации воздушных объектов.

При этом выполняются следующие действия:

- по модулю результирующего сигнала комплексной ДВКФ определяется число сжатых рассеянных сигналов, а также значения задержки по времени τ_ξ и абсолютного доплеровского сдвига F_ξ каждого ξ-го сжатого рассеянного сигнала.

Значения задержки по времени τ_ξ, абсолютного доплеровского сдвига F_ξ каждого ξ-го сжатого рассеянного сигнала и значение азимутально-угломестного направления приема (α, β) рассеянных сигналов поступают в устройство 3-3.

В устройстве 3-3 выполняется обнаружение и формируются пространственные координаты воздушных объектов по значениям задержки τ_ξ, абсолютного доплеровского сдвига F_ξ и азимутально-угломестного направления (азимут α и угол места β) приема сжатых рассеянных сигналов.

При этом выполняются следующие действия:

- сравниваются с порогом значения абсолютного доплеровского сдвига F_ξ и угла места β ξ-го сжатого рассеянного сигнала и при превышении порога принимается решение об обнаружении воздушного объекта в азимутально-угломестном направлении (α, β).

Порог выбирается, исходя из минимизации вероятности пропуска объекта;

При определении географических координат обнаруженного объекта в устройстве 3-3 выполняются следующие действия:

- по значению абсолютной задержки сигнала τ_ξ определяется кажущаяся дальность до объекта D=τ_ξc, где c - скорость света;

- определяются пространственные координаты обнаруженного объекта по кажущейся дальности D и значениям азимута α и угла места β приема рассеянных сигналов.

При этом для пары «СОП-передатчик» строится эллипсоид равных кажущихся дальностей, соответствующих геометрическому месту точек в пространстве, сумма расстояний до которых (от передатчика до объекта и от объекта до СОП) равна найденному значению кажущейся дальности D. По пересечению эллипсоида равных кажущихся дальностей и значения направления (азимут α и угол места β) приема рассеянных сигналов определяются географические координаты обнаруженного объекта.

Возможен другой способ определения географических координат обнаруженного объекта с помощью угломерно-эллиптического метода. При этом в устройстве 3-3 выполняются следующие действия:

- вычисляется суммарная дальность до объекта r_Σц=сτ_ξ+d, где с - скорость света;

- находится расстояние до цели

- определяются пространственные координаты обнаруженного объекта по расстоянию до цели r_ц и значениям азимута α и угла места β приема рассеянных сигналов.

Кроме того, по доплеровскому сдвигу частоты рассеянного радиосигнала вычисляется радиальная скорость цели (проекция вектора скорости на бистатическую ось, показанную штрихом на фиг.2) , где λ - длина волны радиосигнала подсвета.

Результаты обнаружения и пространственной локализации воздушных объектов отображаются для повышения информативности.

Из приведенного описания следует, что устройство, реализующее предложенный способ, обеспечивает возможность обнаружения объектов с малой радиальной скоростью за счет реализации двухмерной обработки принимаемых радиосигналов.

Таким образом, за счет применения вместо одномерной корреляционной фильтрации операций двухмерного сжатия и двухмерной корреляционной фильтрации принятых радиосигналов, обеспечивающих режекцию являющегося маскирующей слабые рассеянные радиосигналы когерентной помехой мощного прямого радиосигнала передатчика подсвета, и не ограничивающих дальность обнаружения и пространственной локализации объектов с малой радиальной скоростью движения удается решить поставленную задачу с достижением указанного технического результата.

Источники информации

1. RU, патент, 2158002, кл. G01S 13/14, 2000.

2. Пат. ЕАПО №008335 по Евразийской заявке №20050110, опубл. 29.08.2006 // Бюллетень Евразийского патентного ведомства. - 2006. - №3.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах контроля воздушного пространства с использованием прямых и рассеянных от воздушных объектов сигналов, излучаемых передатчиками радиоэлектронных систем различного назначения. Достигаемым техническим результатом изобретения является обеспечение возможности обнаружения объектов с малой радиальной скоростью. Указанный результат достигается за счет применения операций двухмерного сжатия и двухмерной корреляционной фильтрации принятых радиосигналов, что обеспечивает двухмерную режекцию мощного прямого радиосигнала передатчика подсвета, являющегося маскирующей слабые рассеянные радиосигналы когерентной помехой, и, как следствие, открывает возможность обнаружения и пространственной локализации объектов с малой радиальной скоростью движения. 2 ил.

Способ пассивного обнаружения воздушных объектов, заключающийся в том, что когерентно принимают двумя пространственно совмещенными приемными каналами прямой радиосигнал от передатчика подсвета и рассеянный воздушным объектом радиосигнал, синхронно преобразуют принятые радиосигналы в комплексные цифровые сигналы, которые синхронно регистрируют на заданном временном интервале, отличающийся тем, что из комплексных цифровых сигналов формируют сигнал, зависящий от временного и частотного сдвигов комплексной двухмерной взаимно корреляционной функции (ДВКФ), исключают центральную часть комплексной ДВКФ и получают сигнал модифицированной комплексной ДВКФ, из сигнала модифицированной комплексной ДВКФ и прямого комплексного цифрового сигнала формируют модифицированный рассеянный комплексный цифровой сигнал, формируют результирующий сигнал комплексной ДВКФ между модифицированным рассеянным комплексным цифровым сигналом и прямым комплексным цифровым сигналом, по модулю результирующего сигнала комплексной ДВКФ определяют число сжатых рассеянных сигналов, по параметрам которых - значению задержки по времени, абсолютного доплеровского сдвига каждого сжатого рассеянного сигнала и значению азимутально-угломестного направления приема рассеянных сигналов - выполняют обнаружение и пространственную локализацию воздушных объектов.