СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ МАЛОЗАМЕТНЫХ ПОДВИЖНЫХ ОБЪЕКТОВ Российский патент 2014 года по МПК G01S13/02 

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

Достижение высокой эффективности обнаружения, локализации и идентификации наземных, морских и воздушных объектов ограничивается существенной априорной неопределенностью размеров, отражающих свойств и состояний (пространственных координат, направления и скорости движения) объекта, а также несовершенством известных способов обнаружения и слежения за подвижными объектами.

Технология скрытного обнаружения и слежения за подвижными объектами, использующая естественный радиоподсвет целей, создаваемый на множестве частот радиоизлучениями передатчиков различного назначения в диапазонах коротких, метровых, дециметровых и сантиметровых волн: широковещательные (УКВ FM-радиовещание, цифровое телевидение DVB-Т2), информационные (связь) и измерительные (управление, навигация), пока еще не получила достаточного распространения, несмотря на то, что может существенно повысить скрытность и эффективность поиска и пространственной локализации широкого класса подвижных объектов.

Известен способ обнаружения малозаметных подвижных объектов [1], заключающийся в том, что выбирают передатчик, излучающий радиосигнал с расширенным спектром, синхронно принимают решеткой антенн многолучевые радиосигналы, включающие прямой радиосигнал передатчика и рассеянные от объектов радиосигналы этого передатчика, 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 подвижных объектов.

Данный способ не содержит операций подавления когерентной помехи в виде прямого радиосигнала передатчика и, как следствие, обеспечивает эффективное обнаружение только очень крупных близко расположенных подвижных объектов.

Более эффективным является способ обнаружения малозаметных подвижных объектов [2], свободный от этого недостатка и выбранный в качестве прототипа.

Согласно этому способу используют прямые и рассеянные подвижными объектами широкополосные радиосигналы, излучаемые передатчиками радиоэлектронных систем различного назначения, когерентно принимают решеткой антенн многолучевые радиосигналы, включающие прямые и рассеянные радиосигналы, синхронно преобразуют ансамбль принятых антеннами радиосигналов в цифровые сигналы, цифровые сигналы объединяют в матричный цифровой сигнал и запоминают, из матричного цифрового сигнала формируют сигнал пространственной корреляционной матрицы, который совместно с сигналом вектора наведения, определяемым азимутально-угломестным направлением приема прямого радиосигнала, длиной волны и геометрией решетки, преобразуют в сигнал оптимального весового вектора, преобразуют матричный цифровой сигнал в прямой цифровой сигнал, который запоминают, формируют и запоминают зависящие от временного сдвига комплексные взаимно-корреляционные функции (ВКФ) между цифровым сигналом отдельной антенны и прямым цифровым сигналом, определяют максимальное значение модуля каждой комплексной ВКФ и фиксируют соответствующие этим максимумам значения комплексной ВКФ, вычисляют разностные цифровые сигналы, формируют зависящие от временного и частотного сдвигов комплексные двумерные взаимно-корреляционные функции (ДВКФ) между каждым разностным цифровым сигналом и прямым цифровым сигналом, усредняют модули комплексных ДКФВ, определяют по максимумам усредненной ДКФВ число сжатых сигналов и фиксируют значения задержки по времени и абсолютного доплеровского сдвига каждого p-го сжатого сигнала, идентифицируют соответствующие отдельному максимуму усредненной ДКФВ составляющие комплексных ДКФВ как сжатый по времени и частоте р-й сигнал, выделяют и запоминают значения составляющих комплексных ДКФВ, задержки по времени и абсолютного доплеровского сдвига каждого р-го сжатого сигнала, по выделенным значениям р-ых идентифицированных составляющих комплексных ДКФВ синтезируют комплексный двумерный угловой спектр, по максимумам модуля которого определяют азимутально-угломестное направление прихода р-го сжатого сигнала, по значениям задержки и абсолютного доплеровского сдвига и азимутально-угломестного направления прихода обнаруживают и определяют пространственные координаты подвижных объектов.

Способ-прототип благодаря наличию операций адаптивной пространственной фильтрации и операций радиоэлектронной компенсации когерентной помехи в виде мощного прямого радиосигнала передатчика подсвета обеспечивает обнаружение более широкого класса подвижных объектов. Однако способ-прототип содержит операции формирования классической двумерной взаимной корреляционной функции, которая содержит высокие боковые лепестки, маскирующие сигналы далеких и слабо рассеивающих объектов.

Таким образом, недостатком способа-прототипа является ограниченная дальность обнаружения малозаметных подвижных объектов.

Техническим результатом изобретения является повышение дальности обнаружения малозаметных подвижных объектов.

Повышение дальности обнаружения малозаметных подвижных объектов достигается за счет применения новых операций, обеспечивающих максимизацию выходного отношения сигнал/шум и основанных на нахождении наибольших собственных значений корреляционных матриц, используемых при формировании и компенсации являющегося когерентной помехой прямого сигнала передатчика подсвета, а также при выделении и оптимальном когерентном обнаружении полезных сигналов, полученных после компенсации помехи и откорректированных на заданном множестве гипотетических состояний (пространственные координаты, направление и скорость движения) объектов.

Технический результат достигается тем, что в способе обнаружения малозаметных подвижных объектов, заключающемся в том, что используют прямые и рассеянные подвижными объектами широкополосные радиосигналы, излучаемые передатчиками радиоэлектронных систем различного назначения, когерентно принимают решеткой антенн многолучевые радиосигналы, включающие прямые и рассеянные радиосигналы, синхронно преобразуют принятые антеннами радиосигналы в цифровые сигналы, согласно изобретению, преобразуют цифровой сигнал каждой антенны в откорректированный по временной задержке и доплеровскому сдвигу частоты для известного состояния передатчика цифровой сигнал s_n, где - номер антенны, объединяют откорректированные цифровые сигналы s_n в матрицу откорректированных сигналов Ф, которую преобразуют в пространственную корреляционную матрицу откорректированных сигналов G=Ф^НФ и в сигнальную матрицу F=ФФ^Н, находят наибольшее собственное значение корреляционной матрицы откорректированных сигналов G и соответствующий найденному собственному значению главный собственный вектор сигнальной матрицы F, идентифицируют найденное значение главного собственного вектора как прямой цифровой сигнал u, который запоминают, формируют нормированный коэффициент взаимной корреляции β_n=u^Н s _n/║u║² между прямым цифровым сигналом u и откорректированным цифровым сигналом s_n каждой антенны, получают разностный цифровой сигнал каждой антенны , преобразуют разностный цифровой сигнал каждой антенны в откорректированный по временной задержке и доплеровскому сдвигу частоты на заданном множестве гипотетических состояний объектов разностный цифровой сигнал , откорректированные разностные цифровые сигналы всех антенн объединяют в матрицу разностных сигналов , матрицу разностных сигналов преобразуют в пространственную корреляционную матрицу разностных сигналов , находят наибольшее собственное значение корреляционной матрицы разностных сигналов , после сравнения которого с порогом принимают решение об обнаружении подвижного объекта с текущим гипотетическим состоянием объекта.

Операции способа поясняются чертежом.

Устройство, в котором реализуется предложенный способ, включает последовательно соединенные антенную систему 1, N-канальный преобразователь частоты (ПРЧ) 2, N-канальное устройство квадратурной дискретизации 3, вычислитель 4 и устройство отображения 5.

В свою очередь вычислитель 4 включает устройство сдвига 4-1, формирователь разностных сигналов 4-2, устройство сдвига 4-3, устройство обнаружения 4-4.

Устройство сдвига 4-1 и ПРЧ 2 имеют связь с внешними системами для получения информации о параметрах излучения выбранного передатчика подсвета. Кроме этого устройство сдвига 4-1 получает от внешних систем информацию о векторе состояния передатчика подсвета в виде: пространственных координат, направления и скорости движения при выборе подвижного передатчика или только пространственных координат при выборе стационарного передатчика. Связь с внешними системами с целью упрощения не показана.

Антенная система 1 содержит N антенн с номерами n=1…N, объединенных в решетку. Антенная решетка может быть произвольной пространственной конфигурации: плоской прямоугольной, плоской кольцевой или объемной, в частности конформной.

Полоса пропускания каждого канала многоканального ПРЧ 2 обеспечивает прием широкополосного сигнала. Кроме того, многоканальные ПРЧ 2 и устройство 3 выполнены с общим гетеродином, который обеспечивает когерентный прием радиосигналов. Для периодической калибровки каналов по внешнему источнику сигнала с целью устранения их амплитудно-фазовой неидентичности ПРЧ 2 обеспечивает подключение одной из антенн вместо всех антенн решетки. Возможна калибровка по внутреннему источнику сигнала. При этом может быть использован генератор шума, выход которого также может подключаться вместо всех антенн для периодической калибровки каналов. Если разрядность и быстродействие АЦП, входящих в состав устройства 3, достаточны для непосредственного аналого-цифрового преобразования входных сигналов, то вместо ПРЧ 2 могут использоваться частотно избирательный полосовой фильтр и усилитель. Другими словами, аналоговая часть устройства, реализующего предлагаемый способ, может быть построена по принципу прямого усиления.

Устройство, реализующее предложенный способ, работает следующим образом.

После получения информации о параметрах излучения выбранного передатчика подсвета ПРЧ 2 настраивается на частоту радиосигнала подсвета.

Многолучевые радиосигналы, включающие излучаемый передатчиком подсвета прямой радиосигнал с расширенным спектром и рассеянные объектами радиосигналы этого передатчика, когерентно принимаются пространственно разнесенными приемными антеннами решетки 1.

Принятый каждой антенной решетки 1 зависящий от времени t суммарный радиосигнал x_n(t) в ПРЧ 2 когерентно переносится на более низкую частоту.

Сформированный в ПРЧ 2 ансамбль принятых радиосигналов x_n(t) синхронно преобразуется в устройстве 3 в ансамбль комплексных цифровых сигналов x_n(z), где z=1, …, Z - номер временного отсчета сигнала. Цифровые сигналы x_n=[x_n(1), …, x_n(z), …,x_n(Z)] поступают в устройство 4-1, где синхронно регистрируются на заданном временном интервале.

Кроме этого в устройстве 4-1 выполняются следующие действия:

преобразуется цифровой сигнал каждой антенны x_n в откорректированный по временной задержке и доплеровскому сдвигу частоты для известного состояния передатчика цифровой сигнал s_n.

При этом учитывается поступающая от внешних систем информация о состоянии передатчика в виде текущих пространственных координат, направлении и скорости его движения, если выбран подвижный передатчик, и в виде только пространственных координат, если выбран стационарный передатчик. Преобразование осуществляется известным способом [3].

Так, по пространственным координатам передатчика рассчитывается ожидаемое значение временной задержки τ_n, а по направлению и скорости движения передатчика вычисляется ожидаемое значение доплеровского сдвига частоты ℓ_n сигнала, принятого каждой n-ой антенной. После этого каждый отсчет , где µ_n - значение комплексного коэффициента рассеяния цели, u(z) - копия сигнала передатчика, принятого каждой n-ой антенной сигнала, корректируется по следующей формуле . Отметим, если передатчик является стационарным, то значение доплеровского сдвига частоты ℓ_n его сигнала равно нулю и принятый каждой n-ой антенной сигнал корректируется только по задержке;

объединяются откорректированные цифровые сигналы s_n в матрицу откорректированных сигналов Ф=(s₁, …, s_N) размером Z×N;

матрица откорректированных сигналов Ф преобразуется в N×N пространственную корреляционную матрицу откорректированных сигналов G=Ф^НФ и в Z×Z сигнальную матрицу F=ФФ^Н;

находится наибольшее собственное значение корреляционной матрицы откорректированных сигналов G и соответствующий найденному собственному значению главный собственный вектор сигнальной матрицы F.

Наибольшее собственное значение и главный собственный вектор находятся известными способами [4, 5]. Данная операция вносит существенный вклад в повышение чувствительности и, следовательно, дальности обнаружения малозаметных объектов, так как обеспечивает максимизацию выходного отношения сигнал/шум при последующей компенсации когерентной помехи в виде прямого сигнала передатчика подсвета;

идентифицируется найденное значение главного собственного вектора как прямой цифровой сигнал u.

Прямой цифровой сигнал u поступает в формирователь 4-2, где запоминается.

В формирователе 4-2 выполняются следующие действия:

формируется нормированный коэффициент взаимной корреляции β_n=u^Н s _n/║u║² между прямым цифровым сигналом u и откорректированным цифровым сигналом s_n каждой антенны;

получается разностный цифровой сигнал каждой антенны .

Разностные цифровые сигналы антенн поступают в устройство 4-3.

В устройстве 4-3 выполняются следующие действия:

преобразуется разностный цифровой сигнал каждой антенны в откорректированный по временной задержке и доплеровскому сдвигу частоты на заданном множестве гипотетических состояний объектов разностный цифровой сигнал . Преобразование разностного цифрового сигнала каждой антенны в откорректированный разностный цифровой сигнал также осуществляется известным способом [3]. При этом гипотетическое состояние объекта описывается несколькими гипотетическими (ожидаемыми) величинами: пространственными координатами, направлением и скоростью движения подвижного объекта;

откорректированные разностные цифровые сигналы всех антенн объединяются в Z×N матрицу разностных сигналов ;

матрица разностных сигналов преобразуется в N×N пространственную корреляционную матрицу разностных сигналов .

Пространственная корреляционная матрица разностных сигналов поступает в устройство 4-4.

В устройстве 4-4 находится наибольшее собственное значение корреляционной матрицы разностных сигналов .

Данная операция также вносит существенный вклад в повышение чувствительности и, следовательно, дальности обнаружения малозаметных объектов, так как обеспечивает максимизацию выходного отношения сигнал/шум при выделении полезных сигналов, полученных после компенсации помехи и откорректированных на заданном множестве гипотетических состояний объектов;

После сравнения собственного значения корреляционной матрицы разностных сигналов $$\tilde{G}$$ с порогом в устройстве 4-4 принимается решение об обнаружении подвижного объекта с текущим гипотетическим состоянием объекта. Гипотетическое состояние объекта описывается гипотетическими пространственными координатами, гипотетическим направлением и гипотетической скоростью движения объекта. Порог выбирается, исходя из минимизации вероятности ложной тревоги.

В устройстве 5 отображаются результаты обнаружения и пространственной локализации объектов.

Таким образом, за счет применения новых операций, обеспечивающих максимизацию выходного отношения сигнал/шум и основанных на нахождении наибольших собственных значений корреляционных матриц, используемых при формировании и компенсации являющегося когерентной помехой прямого сигнала передатчика подсвета, а также при выделении и оптимальном когерентном обнаружении полезных сигналов, полученных после компенсации помехи и откорректированных на множестве гипотетических состояний объектов, удается решить поставленную задачу с достижением указанного технического результата.

Источники информации

1. US, патент, 6703968 В2, кл. G01S 13/87, 2004 г.

2. RU, патент, 2444754, кл. G01S 13/02, 2012 г.

3. Справочник по радиолокации. Под ред. М. Сколника. Нью-Йорк, 1970. Пер. с англ. (в четырех томах) под общей ред. К.Н. Трофимова. Том 1. Основы радиолокации. Под ред. Я.С. Ицхоки. М., «Сов. Радио», 1976, 456 с.

4. Уилкисон Дж. X. Алгебраическая проблема собственных значений. - М.: Наука, 1970. 564 с.

5. Марпл С.Л. (мл.). Цифровой спектральный анализ и его приложения. М.: «Мир», 1990. 584 с.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах контроля наземного, морского и воздушного пространства с использованием прямых и рассеянных объектами радиосигналов, излучаемых множеством неконтролируемых и контролируемых передатчиков радиоэлектронных систем различного назначения. Достигаемый технический результат - повышение дальности обнаружения малозаметных подвижных объектов. Указанный результат достигается за счет применения операций, обеспечивающих максимизацию выходного отношения сигнал/шум и основанных на нахождении наибольших собственных значений корреляционных матриц, используемых при формировании и компенсации являющегося когерентной помехой прямого сигнала передатчика подсвета, а также при выделении и оптимальном когерентном обнаружении полезных сигналов, полученных после компенсации помехи и откорректированных на заданном множестве гипотетических значений пространственных координат, направлений и скоростей движения объектов. 1 ил.

Способ обнаружения малозаметных подвижных объектов, заключающийся в том, что используют прямые и рассеянные подвижными объектами широкополосные радиосигналы, излучаемые передатчиками радиоэлектронных систем различного назначения, когерентно принимают решеткой антенн многолучевые радиосигналы, включающие прямые и рассеянные радиосигналы, синхронно преобразуют принятые антеннами радиосигналы в цифровые сигналы, отличающийся тем, что преобразуют цифровой сигнал каждой антенны в откорректированный по временной задержке и доплеровскому сдвигу частоты для известного состояния передатчика цифровой сигнал s_n , где - номер антенны, объединяют откорректированные цифровые сигналы s_n в матрицу откорректированных сигналов Ф, которую преобразуют в пространственную корреляционную матрицу откорректированных сигналов G=Ф^НФ и в сигнальную матрицу F=ФФ^Н, находят наибольшее собственное значение корреляционной матрицы откорректированных сигналов G и соответствующий найденному собственному значению главный собственный вектор сигнальной матрицы F, идентифицируют найденное значение главного собственного вектора как прямой цифровой сигнал u, который запоминают, формируют нормированный коэффициент взаимной корреляции β_n=u^Нs_n/║u║² между прямым цифровым сигналом u и откорректированным цифровым сигналом s_n каждой антенны, получают разностный цифровой сигнал каждой антенны , преобразуют разностный цифровой сигнал каждой антенны в откорректированный по временной задержке и доплеровскому сдвигу частоты на заданном множестве гипотетических состояний объектов разностный цифровой сигнал , откорректированные разностные цифровые сигналы всех антенн объединяют в матрицу разностных сигналов , матрицу разностных сигналов преобразуют в пространственную корреляционную матрицу разностных сигналов , находят наибольшее собственное значение корреляционной матрицы разностных сигналов $$\tilde{G}$$ , после сравнения которого с порогом принимают решение об обнаружении подвижного объекта с текущим гипотетическим состоянием объекта.