СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ И ПЕЛЕНГАЦИИ ИСТОЧНИКОВ РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ НА ОДНОЙ ЧАСТОТЕ Российский патент 2014 года по МПК G01S5/04 

Многосигнальная пеленгация источников радиоизлучения (ИРИ) имеет место в процессе мониторинга радиоэлектронной обстановки при многолучевом распространении радиоволн, воздействии преднамеренных и непреднамеренных помех, отражениях сигнала от различных объектов и слоев атмосферы.

Известны способы для решения задач радиопеленгации параметрические (метод максимального правдоподобия), непараметрические (метод Кейпона) и собственно-структурные (метод MUSIC). Наиболее известный из непараметрических методов - метод Кейпона [1], заключающийся в приеме сигналов на многоэлементную антенную решетку (АР), состоящую из N слабонаправленных антенных элементов (АЭ), и радиоприемное устройство, в котором измеряют комплексные амплитуды радиосигналов на выходах антенн X_k, где k - номер цифрового отсчета. Используя комплексные амплитуды, вычисляют значение корреляционной матрицы $$R=\frac{1}{K}\underset{k=1}{\overset{K}{\sum X_k{X}_k^H}}$$ , где K - общее количество цифровых отсчетов, H - символ комплексного сопряжения. Далее генерируют и запоминают сканирующую сетку Q(γ), состоящую из детерминированных векторов волнового фронта q(γ_l), определяющих значения комплексных амплитуд для гармонического источника радиоизлучения, приходящего с направления, соответствующего угловой координате γ_l, в элементах многоэлементной антенной решетки относительно начала координат Q(γ)=[q(γ₁),…,q(γ_L), где γ=[γ₁…γ_L] - сектор сканирования, L - количество направлений сканирования. Векторы q(γ_l) определяются как , где Δψ_i(γ_l) - фазовый набег, соответствующий сигналу с l-го направления сканирования на i-й АЭ относительно опорного АЭ, T - символ операции транспонирования. Угловой спектр мощности определяют по формуле $$P_l=1/\left(q_l^H{R}^{-1}{q}_l\right)$$ . По максимумам углового спектра определяют амплитуды и угловые координаты ИРИ.

Данный способ-аналог обладает следующими недостатками: весьма низкая угловая разрешающая способность и высокая среднеквадратичная ошибка оценки как угловых координат, так и амплитуд ИРИ при наличии помех в частотном канале. Указанные недостатки ограничивают возможность применения данного способа в системах пеленгации.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ радиопеленгации [2, 3] с повышенной разрешающей способностью со следующей последовательностью действий:

1. Прием сигналов на многоэлементную АР, состоящую из N слабонаправленных в горизонтальной плоскости АЭ, типа вертикальный вибратор.

2. Синхронное преобразование принятых сигналов в цифровые отсчеты и получение комплексных амплитуд радиосигналов, описывающих значения на выходе антенных элементов X_k, где k=1…K, K - общее количество цифровых отсчетов.

3. Расчет оценки матрицы корреляции

где H - символ комплексного сопряжения.

4. Генерация сканирующей сетки Q(γ), состоящей из детерминированных векторов волнового фронта q(γ_l), определяющих значения комплексных амплитуд для гармонического источника радиоизлучения приходящего с направления, соответствующего угловой координате γ_l в элементах АР относительно начала координат.

где L - количество направлений сканирования, γ=[γ₁…γ_L] - сектор сканирования.

Вектор q(y_l) определяется как:

где Δψ_i(γ_l) - фазовый набег, соответствующий сигналу с l-го направления сканирования на i-й АЭ относительно опорного АЭ, T - символ операции транспонирования.

5. Получение углового спектра мощности

где l=1…L, a z_l - сигнал, поступающий с АР сфазированной в направлении, соответствующем угловой координате γ_l.

Цифровые отсчеты будут представлены как:

Общая схема получения углового спектра мощности представлена на Фиг.1.

6. Расчет сигнальной корреляционной матрицы:

где P - диагональная матрица с элементами P₁…P_L на главной диагонали.

7. Получение оптимального вектора для каждого направления сканирования

8. Используя корреляционную матрицу, вычисление средней мощности для каждого направления сканирования

9. Повторение шагов 6-8 до выполнения критерия сходимости.

Критерием сходимости является сравнение вычисляемых спектров мощности с выхода АР на каждой итерации:

После завершения итераций, по максимумам спектра мощности определяют азимутальные и угломестные пеленги каждого луча принятого многолучевого сигнала.

Этот способ обладает следующими недостатками:

1. При малом времени накопления способ-прототип обладает весьма низкой угловой разрешающей способностью и высоким параметром среднеквадратичной ошибки (СКО) при наличии помех в частотном канале.

2. Учитывая наличия помех в частотном канале, количество итераций до достижения критерия сходимости может быть бесконечно большим, особенно, при высоком значении СКО помехи.

3. На каждой итерации необходимо вычислять обратную оценочную матрицу корреляции, это действие занимает порядка N³ операций. В среднем при малом СКО помехи, для получения устойчивого результата необходимо порядка 12 и более итераций [4], что существенно влияет на скорость работы пеленгатора, реализующего данный способ.

4. При изменении сигнальной обстановки, все вычисления необходимо повторять заново, что, учитывая общий объем операций, делает реализацию этого способа для непрерывного отслеживания угловых координат источников весьма трудновыполнимой.

Указанные недостатки, очевидно, ограничивают возможность применения данного метода при обработке данных.

Задача изобретения - повышение надежности, точности и скорости пеленгации при приеме электромагнитных сигналов от нескольких источников радиоизлучения, в условиях априорной неопределенности относительно формы сигнала, шумов и помех.

Поставленная задача достигается тем, что в способе пеленгации источников радиоизлучения на одной частоте, с априорно неизвестной формой сигнала, включающем в себя прием сигналов посредством многоэлементной антенной решетки, синхронное преобразование принятых сигналов в комплексные цифровые сигналы, преобразование цифровых сигналов в сигнал амплитудно-фазового распределения, описывающий распределение амплитуд и фаз на элементах многоэлементной АР, генерацию двумерного детерминированного вектора волнового фронта q комплексной фазирующей функции Q размером N×L, зависящего от заданной частоты приема и определяющего значения комплексных амплитуд для гармонического источника радиоизлучения приходящего с каждого направления сканирования, где N - число АЭ, L - число направлений сканирования, соответствующих заданным потенциально возможным направлениям прихода сигнала, с угловыми координатами γ_l…γ_L, где в качестве направления сигнала γ используют однозначное отображение угловых координат α и β, согласно изобретению получение многосигнального углового спектра мощности P, представляющего собой распределение квадратов амплитуд по пеленгам α и β, обеспечивают минимизацией функции максимального правдоподобия, путем обеспечения сходимости по времени накопления цифровых отсчетов, с учетом использования рекурсивного представления для оценки сигнальной и корреляционной матриц сигналов и по полученному многосигнальному угловому спектру мощности строят пеленгационную панораму, по которой определяют количество, интенсивность и пеленги источников радиоизлучения. В способе пеленгации источников радиоизлучения на одной частоте также дополнительно определяют критерий наличия сигнала на заданном направлении сканирования путем подстановки в исходный критерий «адаптивный согласованный фильтр» [5, с.1326] сигнальной корреляционной матрицы, при этом выбор максимумов на пеленгационной панораме осуществляют с учетом превышения критерием заданного порога.

Достигаемый технический результат - повышение эффективности достигается за счет введения рекурсивной сходимости вместо итеративной, что позволяет не использовать критерии сходимости, следовательно, при обработке данных в реальном времени, на каждый новый набор цифровых отсчетов требуется одна итерация, что сокращает количество операций в 12 и более раз; учет критерия наличия сигнала с исследуемого направления повышает надежность работы пеленгатора.

Перечень фигур

Фиг.1. Схема получения начальной оценки углового спектра мощности.

Фиг.2. Блок-схема устройства.

Фиг.3. Пеленгационные панорамы, полученные итеративно-адаптивным способом для разных времен накопления сигнала.

Фиг.4. Пеленгационные панорамы, полученные адаптивно-рекурсивным способом для разных времен накопления сигнала.

Устройство, реализующее предложенный способ, содержит (фиг.2) многоэлементную антенную решетку 1, состоящую из N слабонаправленных антенных элементов, радиоприемное устройство (РПУ) 2, буферные запоминающие устройства (БЗУ) 3.1..3.3, устройство определения оценки обратной корреляционной сигнальной матрицы 4, запоминающее устройство 5, устройство определения оценки корреляционной матрицы 6, устройство определения значений адаптивных векторов 7, устройство определения углового спектра мощности 8, устройство расчета критерия наличия сигнала 9, запоминающую ячейку (ЗЯ) 10, отображающее устройство 11.

Каждый выход антенных элементов, образующих многоэлементную АР 1, подключен к входам радиоприемного устройства 2 и через его выходы - к входам буферного запоминающего устройства 3.1, выход которого соединен с входом устройства определения оценки корреляционной матрицы сигналов 6. Выходы устройства определения оценки корреляционной матрицы сигналов 6 соединены с входом устройства определения углового спектра мощности 8 и входом буферного запоминающего устройства 3.2, выход которого соединен с входом устройства определения оценки корреляционной матрицы сигналов 6. Выходы запоминающего устройства 5 соединены с входом устройства определения оценки обратной корреляционной сигнальной матрицы 4, входом устройства определения значений адаптивных векторов 7 и входом устройства расчета критерия наличия сигнала 9, выход которого соединен с входом отображающего устройства 11. Выходы устройства определения оценки обратной корреляционной сигнальной матрицы 4 соединены с входом устройства расчета критерия наличия сигнала 9 и входом устройства определения значений адаптивных векторов 7, выход которого соединен с входом устройства определения углового спектра мощности 8. Выходы устройства определения углового спектра мощности 8 соединены с входом устройства расчета критерия наличия сигнала 9, входом отображающего устройства 11 и входом буферного запоминающего устройства 3.3, выход которого соединен с входом устройства определения оценки обратной корреляционной сигнальной матрицы 4. Выход запоминающей ячейки 10 соединен с входом отображающего устройства 11.

Многоэлементная АР 1 состоит из антенных элементов, например вертикальных вибраторов, слабонаправленных в горизонтальной плоскости.

Радиоприемное устройство 2 многоканальное, с числом каналов, равным числу антенн, цифрового типа. Может быть выполнено с применением цифровой элементной базы, например по схеме приведенной, в [6, с.11-13]. Обеспечивает синхронное измерение комплексных амплитуд радиосигналов на выходе антенн.

Буферное запоминающее устройство 3.1 обеспечивает регистрацию комплексных амплитуд радиосигналов (N комплексных значений) на время последующей обработки.

Буферное запоминающее устройство 3.2 обеспечивает накопление комплексных значений оценки матрицы корреляции сигналов (N² комплексных значений).

Буферное запоминающее устройство 3.3 обеспечивает регистрацию углового спектра мощности (L значений, где L - количество направлений сканирования).

Запоминающее устройство 5 обеспечивает хранение значений сканирующей сетки Q(γ), где γ=[γ₁…γ_L] - сектор сканирования, состоящей из детерминированных векторов волнового фронта q(γ_l), определяющих значения комплексных амплитуд для гармонического источника радиоизлучения, приходящего с направления, соответствующего угловой координате γ_l, в элементах многоэлементной антенной решетки относительно начала координат.

Устройство определения оценки обратной корреляционной сигнальной матрицы 4 реализует функцию перемножения матриц $${\stackrel{⌢}{R}}_{k+1}=Q(\gamma )P_k{Q}^H(\gamma )$$ , хранящихся в запоминающем устройстве 5, и диагональной матрицы P_k, вида

и функцию обращения матрицы $${\stackrel{⌢}{R}}_{k+1}$$ .

Устройство определения оценки ненормированной корреляционной матрицы 6 реализует функцию перемножения $$X_k{X}_k^H$$ , где H - операция комплексного сопряжения и сложения с матрицей, хранящейся в БЗУ 3.2.

Устройство определения значений адаптивных векторов 7 реализует функцию определения значений адаптивных векторов для каждого направления сканирования, по формуле:

Устройство определения углового спектра мощности 8 реализует функцию определения углового спектра мощности по формуле:

Устройство расчета критерия наличия сигнала 9 реализует функцию определения критерия наличия сигнала по формуле:

Запоминающая ячейка 10 содержит значение порога для критерия наличия сигнала, которое определяется путем калибровки пеленгатора.

Отображающее устройство 11 реализует вывод данных об амплитуде и угловых координатах источников радиоизлучения, с учетом превышения критерием наличия радиосигнала заданного порога.

Изобретение осуществляется следующим образом. Принимают сигналы на многоэлементную антенную решетку 1, состоящую из N слабонаправленных в горизонтальной плоскости антенных элементов, например вертикальных вибраторов, и радиоприемное устройство 2, в котором измеряют комплексные амплитуды радиосигналов на выходах антенн.

В начале работы пеленгатора (k=1) вычисляют сканирующую сетку Q(γ), состоящую из детерминированных векторов волнового фронта q(γ_l), определяющих значения комплексных амплитуд для гармонического источника радиоизлучения, приходящего с направления, соответствующего угловой координате γ_l в элементах многоэлементной антенной решетки относительно начала координат (2). В качестве угловой координаты γ_l используют однозначные отображения угловых координат α, β, зависящие от текущих требований к системе. Одним из простейших примеров является угловая координата γ_l, углы α и β которой соответствуют

где l=1…L, L=L_αL_β L_α, L_β - размер сканирующей сетки по α и β соответственно, [·] - выделение целого числа. Значения сканирующей сетки хранятся в запоминающем устройстве 5. Рассчитывают первое приближение корреляционной матрицы как $$R_1=X_1{X}_1^H$$ , и первое приближение углового спектра мощности .

На первом этапе обработки в устройстве 4 рассчитывают обратную сигнальную корреляционную матрицу $${\stackrel{⌢}{R}}_{k+1}^{-1}={\left(Q(\gamma )P_k{Q}^H(\gamma )\right)}^{-1}$$ , используя данные, хранящиеся в запоминающем устройстве 5 и БЗУ 3.3. Рассчитывают ненормированную корреляционную матрицу $$R_{ненорм,}{}_{\text{k}+\text{1}}=R_{ненорм,}{}_{\text{k}}+X_{k+1}{X}_{k+1}^H$$ , используя данные из БЗУ 3.1 и БЗУ 3.2.

На втором этапе обработки, используя обратную сигнальную корреляционную матрицу, определяют набор адаптивных векторов W_k=[w_k,1,…,w_k,1], используя данные с устройства 4 и устройства 5, по формуле .

На третьем этапе обработки, используя комплексные значения, полученные на выходе устройств 7, 6, и данные, хранящиеся в запоминающем устройстве 5, осуществляют расчет углового спектра мощности $$P_{l,k}=\frac{1}{k}{w}_l^H{R}_{ненорм,\text{ k}}{\text{ w}}_{\text{l}}$$ в устройстве 8 и критерия наличия сигнала $$t_{AMF-ARA}=P_{k,l}{q}^H({\gamma }_l){\stackrel{⌢}{R}}_k^{-1}q({\gamma }_l)$$ в устройстве 9.

В отображающем устройстве 11, сравнивая значение критерия наличия сигнала с установленным порогом, определяют количество максимумов, соответствующих источникам радиоизлучения, и по максимумам производят определение амплитуд (как |P_l,k|^1/2) и угловых координат сигналов.

Приведем модельный пример работы предлагаемого способа.

Рассмотрим случай прихода на линейную антенную решетку из 16 вибраторов, расстояние между которыми 7.5 м, двух когерентных сигналов на частоте 3 МГц с направления по азимуту [100° 106°], по углу места [0° 0°] и с амплитудами [28 мВ 24 мВ], СКО помехи 3.8 мВ. Сканирующую сетку Q сгенерируем с шагом 1°, по углам α=0°…360°, β=0°. Величину порога Λ установим 0.3. Время накопления будем варьировать с K=1 до K=50.

На фиг.3 и фиг 4. Приведены пеленгационные панорамы, полученные за разное время накопления, для способа-прототипа (IAA) и для предложенного метода соответственно (ARA). Видно, что предложенный способ обладает гораздо более быстрой сходимостью к истинным значениям пеленгов, и при малом времени накопления K обладает гораздо меньшей СКО, чем способ-прототип.

Для примера получены СКО амплитуд источников при времени накопления K=20 для способа-прототипа [5.74 5.12] мВ и для примененного способа [2.27 2.47] мВ.

Источники информации

1. Кейпон Дж. Пространственно-временной спектральный анализ с высоким разрешением // ТИИЭР. 1969. Т.57, №8. С.59-69.

2. Jian Li. Multi-Input Multi-Output (MIMO) Radar - Diversity Means Superiority. Final report for the Office of Naval Research Grant No. N00014-07-1-0293 November 2006 - October 2009. - p.6.

3. W. Roberts, P. Stoica, J. Li, T. Yardibi, Firooz A. Sadjadi. Iterative Adaptive Approaches to MIMO Radar Imaging. IEEE Journal on Selected Topics in Signal Processing, vol.4, no.1, pp.5-20, 2010.

4. M. Barcelo, J. Lopez Vicario, and G. Seco-Granados. A Reduced Complexity Approach to IAA Beamforming for Efficient DOA Estimation of Coherent Sources. EURASIP Journal on Advanced in Signal Processing, Vol.2011, Arcticle ID 521265, p.16.

5. Van Trees, Harry L. Optimum Array Processing. Part IV of Detection, Estimation and Modulation Theory/ Harry L. Van Trees. - Wiley&Sons, Inc., New York. - 2002 - p.1443.

6. Побережский Е.С. Цифровые радиоприемные устройства. - M.: Радио и связь, 1987, с.184.

Способ предназначен для мониторинга радиоэлектронной обстановки при многолучевом распространении радиоволн, воздействии преднамеренных и непреднамеренных помех, отражениях сигнала от различных объектов и слоев атмосферы. Достигаемый технический результат - повышение надежности, точности и скорости пеленгации при приеме электромагнитных сигналов от нескольких источников радиоизлучения, в условиях априорной неопределенности относительно формы сигнала, шумов и помех. Указанный результат достигается тем, что получение многосигнального углового спектра мощности P, представляющего собой распределение квадратов амплитуд по пеленгам α и β, обеспечивается минимизацией функции максимального правдоподобия, путем обеспечения сходимости по времени накопления цифровых отсчетов, с учетом использования рекурсивного представления для оценки сигнальной и корреляционной матриц сигналов, по полученному многосигнальному угловому спектру мощности строится пеленгационная панорама, по которой определяется количество, интенсивность и пеленги источников радиоизлучения, кроме того, дополнительно определяется критерий наличия сигнала на заданном направлении сканирования. 1 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Способ пеленгации источников радиоизлучения на одной частоте, с априорно неизвестной формой сигнала, включающий в себя прием сигналов посредством многоэлементной антенной решетки, синхронное преобразование принятых сигналов в комплексные цифровые сигналы, преобразование цифровых сигналов в сигнал амплитудно-фазового распределения, описывающий распределение амплитуд и фаз на элементах многоэлементной антенной решетки, генерацию двумерного детерминированного вектора волнового фронта q комплексной фазирующей функции Q размером N×L, зависящего от заданной частоты приема и определяющего значения комплексных амплитуд для гармонического источника радиоизлучения, приходящего с каждого направления сканирования, где N - число антенных элементов, L - число направлений сканирования, соответствующих заданным потенциально возможным направлениям прихода сигнала, с угловыми координатами γ₁…γ_L, где в качестве направления сигнала γ используют однозначное отображение угловых координат α, β, отличающийся тем, что получение многосигнального углового спектра мощности P, представляющего собой распределение квадратов амплитуд по пеленгам α и β, обеспечивают минимизацией функции максимального правдоподобия, путем обеспечения сходимости по времени накопления цифровых отсчетов, с учетом использования рекурсивного представления для оценки сигнальной и корреляционной матриц сигналов и по полученному многосигнальному угловому спектру мощности строят пеленгационную панораму, по которой определяют количество, интенсивность и пеленги источников радиоизлучения.

2. Способ пеленгации источников радиоизлучения на одной частоте по п.1, отличающийся тем, что дополнительно определяют критерий наличия сигнала на заданном направлении сканирования путем подстановки в исходный критерий «адаптивный согласованный фильтр» сигнальной корреляционной матрицы, при этом выбор максимумов на пеленгационной панораме осуществляется с учетом превышения критерием заданного порога.