СПОСОБ ПОИСКА ИСТОЧНИКОВ ИЗЛУЧЕНИЙ СЛОЖНЫХ СИГНАЛОВ Российский патент 2016 года по МПК G01S7/36 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах радиоконтроля с антенными решетками для поиска радиоэлектронных средств (РЭС), являющихся источниками излучения (ИИ).

Известен способ поиска РЭС [1], основанный на регистрации сигнала принимаемого антенной решеткой (АР) с последующим восстановлением его углового спектра на основании применения процедуры преобразования Фурье. Недостатком известного способа является невозможность его использования для пеленгования нескольких ИИ, сигналы которых одновременно присутствуют в рабочей полосе частот приемного устройства.

Известен способ поиска РЭС [2] выбранный в качестве прототипа, включающий когерентный прием сигналов ИИ пространственно-разнесенными приемными каналами, синхронное преобразование принятых сигналов в цифровую форму и дальнейшую их обработку в цифровом приемном устройстве с целью обнаружения сигналов ИИ, их частотно-временной локализации и идентификации, определения пеленгов ИИ.

Применение способа прототипа в реальных условиях поиска ИИ со сложными сигналами выявило его низкую эффективность, обусловленную низкой помехозащищенностью вследствие отсутствия процедур пространственной фильтрации сигналов ИИ на этапе их обнаружения и наличия возможных взаимных помех, создаваемых ИИ, сигналы которых имеют перекрывающиеся энергетические спектры и/или одновременно регистрируются приемными элементами пространственно-разнесенных приемных каналов комплекса радиоконтроля.

Поэтому существенным недостатком наиболее близкого способа-прототипа [2] является относительно узкая область его возможного практического применения, определяемая тем, что наличие сигналов ИИ, имеющих перекрывающиеся энергетические спектры и/или одновременно регистрируемых пространственно-разнесенными приемными каналами комплекса радиоконтроля, приводит к снижению величины отношения сигнал/помеха + шум в контролируемой полосе частот приемного устройства по обнаруживаемому ИИ и, как следствие, к снижению вероятности правильного обнаружения, являющейся показателем эффективности поиска радиоэлектронных средств (РЭС) в контролируемой зоне пространства.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является расширение области его практического применения и создание способа поиска ИИ (поиска РЭС) использование которого в комплексах радиоконтроля повысит эффективность поиска РЭС, в условиях, когда сигналы ИИ имеют перекрывающиеся энергетические спектры и/или одновременно регистрируются пространственно-разнесенными приемными каналами комплекса радиоконтроля.

Техническим результатом изобретения является повышение эффективности поиска ИИ, сигналы которых имеют перекрывающиеся энергетические спектры и/или одновременно регистрируются пространственно-разнесенными приемными каналами комплекса радиоконтроля.

Главный лепесток диаграммы направленности антенны - лепесток ДН антенны, в пределах которого излучение антенны максимально [3, стр. 22].

Луч (антенной решетки) - главный лепесток ДН АР [4, стр. 3].

"Нуль" диаграммы направленности антенны - специально создаваемая область диаграммы направленности антенны с относительно низким уровнем излучения/приема.

Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что в известном способе прототипе поиска ИИ сложных сигналов (в нашем случае РЭС излучающие сигналы), включающий когерентный прием сигналов ИИ пространственно-разнесенными приемными каналами, образующими линейную эквидистантную антенную решетку (АР), синхронное преобразование принятых сигналов в цифровую форму и дальнейшую их обработку в цифровом приемном устройстве с целью обнаружения сигналов ИИ, их частотно-временной локализации и идентификации, определения пеленгов ИИ, дополнительно, до упомянутой обработки в цифровом приемном устройстве, по мере поступления отсчетов сигналов регистрируемых каналами АР, выполняют вычисление вектора комплексных коэффициентов где М - число ИИ, устанавливающих амплитудно-фазовое распределение (АФР) сигналов каждого из ИИ относительно опорного канала АР в соответствии со следующими рекуррентными уравнениями

где - вектор комплексных коэффициентов с элементами , , Δφ_m - значение фазы m-го комплексного элемента Λ_m, определяемое наклоном волнового фронта сигнала m-го ИИ относительно опорного канала АР; А_m - комплексная амплитуда сигнала m-го ИИ на опорном канале АР; - комплексный цифровой вектор сигнала, формируемый из пространственных отсчетов х_n(k), регистрируемых последовательно расположенными L (L<N) каналами АР относительно ее канала с номером "1+l" (опорного канала) в k-й момент времени; Λ(k), Λ(k, k-1) - текущее и экстраполированное значение вектора комплексных коэффициентов Λ соответственно; , - матрицы дисперсии ошибок фильтрации и экстраполяции вектора Λ соответственно; g_Λ - матрица пересчета приращений вектора Λ для k-го шага наблюдения на следующий шаг; - матрица параметрической модели входного сигнала; - матрица векторов , устанавливающих фазовое распределение сигнала m-го ИИ относительно опорного канала АР; - вектор комплексных амплитуд сигналов ИИ на опорном канале АР; - значение матрицы параметрической модели входного сигнала для экстраполированной оценки вектора Λ; - матрица крутизн измерителя АФР сигналов ИИ; - значение матрицы крутизн измерителя АФР сигналов ИИ для экстраполированной оценки вектора Λ; - мощность внутренних шумов каналов АР; I - единичная матрица; "+" - знак эрмитого сопряжения; " j " - мнимая единица, N - число каналов АР, далее, по установившемуся значению вычисляют М векторов комплексных весовых коэффициентов АР где L - число каналов АР, обеспечивающих раздельное цифровое формирование М диаграмм направленностей (ДН) в направлении М ИИ, когда луч каждой i-й ДН ориентирован в направлении i-го ИИ, а "нули" i-й ДН ориентированы в направлении оставшихся М-1 ИИ, в соответствии с формулой

где - вектор комплексных весовых коэффициентов формирования i-й ДН; - вектор фазового распределения сигнала m-го ИИ на L каналах АР; - диагональная матрица амплитудного распределения i-го вектора комплексных коэффициентов; - значение коэффициента, определяющего амплитудное распределение вектора комплексных весовых коэффициентов на n-м канале АР для формировании ДН в направлении i-го ИИ; "*" - знак комплексного сопряжения, и, по вычисленным значениям векторов комплексных весовых коэффициентов W_i, , осуществляют раздельное цифровое формирование упомянутых М ДН.

Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что цифровое формирование i-й ДН в направлении i-го ИИ выполняют по следующей формуле

где - вектор пространственных отсчетов комплексного цифрового сигнала на выходе i-й АР; - матрица составленная из векторов , формируемых из пространственных отсчетов сигнала х_n, регистрируемых N канальной АР, начиная с n-го; х_n - комплексная цифровая амплитуда сигнала, регистрируемая n-м каналом АР; - измеренное значение комплексного весового коэффициента n-го канала АР для формирования i-й ДН.

Введение дополнительных процедур по измерению вектора комплексных коэффициентов , устанавливающих АФР сигналов каждого из ИИ относительно опорного канала АР с последующим расчетом М векторов комплексных весовых коэффициентов АР , , где L (L<N) - число каналов АР, обеспечивающих раздельное цифровое формирование М диаграмм направленностей (ДН) в направлении М ИИ, когда луч каждой i-й ДН ориентирован в направлении i-го ИИ, а "нули" i-й ДН ориентированы в направлении оставшихся М-1 ИИ и раздельного цифрового формирования упомянутых М ДН позволяет повысить отношение сигнал/помеха + шум в полосе частот приемного устройства комплекса радиоконтроля для сигналов ИИ с перекрывающимися энергетическими спектрами и/или одновременно регистрируемых пространственно-разнесенными приемными каналами комплекса радиоконтроля. Следствием этого является расширение области применения изобретения и создание способа поиска ИИ, при использовании которого к комплексах радиоконтроля, будет осуществляться поиск ИИ, сигналы которых имеют перекрывающиеся энергетические спектры и/или одновременно регистрируются пространственно-разнесенными приемными каналами комплекса, с большей эффективностью.

Сущность изобретения поясняется на примере комплекса радиоконтроля, который содержит N блоков приемных каналов АР, являющихся пространственно-разнесенными приемными каналами комплекса радиоконтроля, N блоков преобразователей частоты, N блоков аналого-цифровых преобразователей (АЦП), блок диаграммообразующей схемы (ДОС), блок вычислителя амплитудно-фазовых распределений (АФР), блок вычислителя векторов весовых коэффициентов (ВВК), N блоков цифровых приемных устройств. При этом выходы N блоков приемных элементов АР последовательно, через соответствующие блоки преобразователей частоты, соединены со входами соответствующих блоков АЦП. Выходы N блоков АЦП параллельно соединены с соответствующими входами блока ДОС, образующих первую группу входов блока ДОС, и соответствующими входами блока вычислителя АФР.

Блок ДОС содержит М блоков ЦАР. Группы входов каждого блока ЦАР параллельно соединены между собой, являются первой группой входов блока ДОС. Каждый из блоков ЦАР содержит N-L+1 блоков РПК. Каждый i-й блок РПК содержит L блоков комплексного взвешивания сигналов и блок L-входового сумматора. При этом первые входы блоков комплексного взвешивания сигналов i-го блока РПК соединены с выходом соответствующих блоков АЦП и образуют первую группой входов i-го блока РПК. Группы первых входов блоков РПК являются первой группой входов блока ЦАР.

Вторые входы блоков комплексного взвешивания сигналов i-го блока РПК соединены с соответствующими выходами блока вычислителя ВВК и образуют вторую группу входов i-го блока РПК. Группы вторых входов блоков РПК является второй группой входов блока ЦАР.

Выходы каждого из блоков комплексного взвешивания сигналов i-го блока РПК соединены с соответствующим входом блока L-входового сумматора. Выход L-входового сумматора i-го блока РПК является выходом i-го блока РПК. Выходы N-L+1 блоков РПК i-го блока ЦАР образуют группу выходов i-го блока ЦАР. Группа выходов i-го блока ЦАР образуют i-ю группу выходов блока ДОС.

Группа выходов блока вычислителя АФР соединена с группой входов блока вычислителя ВВК. Группа выходов блока вычислителя ВВК соединена со второй группой входов блока ДОС. Каждая из М групп выходов блока ДОС соединена с группой входов соответствующего блока цифрового приемного устройства.

Для изложения сути заявляемого способа поиска ИИ сложных сигналов комплексом радиоконтроля считаем, что в заданном пространственном секторе находятся ИИ с априорно неизвестными пространственными координатами. Процесс поиска ИИ состоит в когерентном приеме АР временного сигнала x_n(t), где n - номер канала АР, с последующей синхронной регистрацией и преобразованием в цифровой вид для обнаружения сигналов ИИ и определения (оценки) характеристик ИИ (частотный диапазон и вид закона модуляции сигнала ИИ, азимут ИИ, тип ИИ и т.д.), осуществляемых в соответствующем блоке цифрового приемного устройства. Совокупность пространственных отсчетов х_n, (здесь и далее для удобства изложения опущена временная зависимость пространственного отсчета x_n(t) от времени) образуют вектор входного сигнала комплекса радиоконтроля , где N - количество каналов АР, который является аддитивной смесью сигналов ИИ и внутренних шумов приемных каналов АР

где - вектор входного сигнала; - вектор сигнала m-го ИИ, регистрируемый приемными элементами каналов АР; - вектор внутренних шумов приемных каналов АР.

В соответствии с [6, стр. 119], эффективность радиоконтроля определяется вероятностью правильного обнаружения D сигналов, источники которых находятся в контролируемой зоне пространства. Вероятность правильного обнаружения сигналов ИИ, в процессе ведения радиоконтроля, рассчитывается в соответствии с формулой [6, стр. 120]

где D - вероятность правильного обнаружения сигналов; h₀ - порог обнаружения; q - отношение сигнал/шум в полосе частот блока приемного устройства; - модифицированная функция Бесселя нулевого порядка.

Рассматривается наихудшая ситуация, когда сигналы ИИ принимаются одновременно и имеют в текущей полосе поиска перекрывающиеся энергетические спектры. В этом случае взаимное наложение энергетических спектров одновременно принимаемых сигналов позволяет рассматривать их как один из видов взаимных помех процессу поиска ИИ, приводящий к снижению отношения сигнал/помеха + шум и, как следствие, к ухудшению эффективности радиоконтроля [6, стр. 119].

В заявляемом способе, повышение эффективности радиоконтроля для указанной ситуации, выполняется за счет повышения отношения сигнал/помеха + шум по обнаруживаемому сигналу. Это достигается на основе формирования раздельных пространственных каналов, осуществляющих прием сигналов с направлений, определяемых пространственным положением каждого из ИИ, т.е. раздельный пространственный прием сигналов каждого из ИИ находящихся в зоне контроля, с одновременным подавлением остальных сигналов, ИИ которых не соответствующих направлению текущего раздельного пространственного приема.

Отличительная особенность заявляемого способа заключается в том, что он позволяет сформировать раздельные пространственные каналы приема в направлении ИИ в условии априорной неопределенности относительно их числа и пространственного положения.

Раздельный пространственный канал (РПК), осуществляет прием сигнала i-го ИИ за исключением сигналов М-1 ИИ, из М ИИ, присутствующих в контролируемой зоне пространства (i-й РПК). Он строится как диаграмма направленности цифровой антенной решетки (ДН ЦАР) имеющая М-1 "нулей" ориентированных в направлении М-1-го ИИ, за исключением i-го, в направлении которого формируется главный лепесток ее ДН. Цифровое формирование ДН ЦАР, соответствующей i-му РПК, осуществляется в блоке РПК в соответствии с формулой [7, стр. 13]

где - вектор пространственных отсчетов комплексного цифрового сигнала на выходе i-й АР; - матрица составленная из векторов , формируемых из пространственных отсчетов сигнала х_n, регистрируемых N канальной АР, начиная с n-го; х_n - комплексная цифровая амплитуда сигнала, регистрируемая n-м каналом АР; - измеренное значение комплексного весового коэффициента n-го канала АР для формирования i-й ДН.

Всего в блоке ДОС формируется М РПК - по числу сигналов ИИ. Каждый РПК формирует N-L+1 ДН ЦАР, для образования каждой из которых используются L пространственных приемных каналов АР комплекса, сдвинутых друг относительно друга на расстояние, равное шагу АР комплекса радиоконтроля. Это позволяет i-му РПК сформировать на своем выходе N-L+1 пространственных отсчетов сигнала i-го ИИ, которые поступают в блок цифрового приемного устройства.

По условию заявляемого способа, каждая из ДН ЦАР i-го РПК, формируемых в блоке ДОС, формирует "нули" в направлении М-1-го ИИ за исключением i-го, в направлении которого формируется главный лепесток ее ДН. Формирование ДН ЦАР при обработке принимаемого сигнала в соответствии с формулой (2) осуществляется на основании построения распределения амплитуд и фаз по пространственным приемным каналам, являющимся ВВК ЦАР. Значение ВВК, соответствующее i-му РПК и формирующее ДН ЦАР, луч которой ориентирован в направлении i-го ИИ, а в направлении М-1-го ИИ (за исключением i-го) формируются "нули", вычисляется в блоке вычислителя ВВК по формуле

где - вектор комплексных весовых коэффициентов формирования i-й ДН; - вектор фазового распределения сигнала m-го ИИ на L каналах АР; - диагональная матрица амплитудного распределения i-го вектора комплексных коэффициентов; - значение коэффициента, определяющего амплитудное распределение вектора комплексных весовых коэффициентов на n-м канале АР для формировании ДН в направлении i-го ИИ; "*" - знак комплексного сопряжения.

Значение вектора комплексных весовых коэффициентов, вычисленное в соответствии с формулой (3), когда , максимизирует отношение сигнал/помеха + шум в полосе частот блока цифрового приемного устройства [8, стр. 81].

В соответствии с формулой (3) для формирования вектора комплексных весовых коэффициентов требуются оценки АФР, создаваемых сигналами каждого из ИИ на приемных элементах АР (пространственных каналов приема). Вычисление раздельных оценок АФР выполняется в блоке вычислителя АФР. Процесс вычисления построен рекуррентно, по мере поступления цифровых пространственных отсчетов сигнала х_n(k), регистрируемого пространственными приемными каналами комплекса радиоконтроля в k-й момент времени, в соответствии со следующими рекуррентными уравнениями

где - вектор комплексных коэффициентов с элементами , , ; Δφ_m - значение фазы m-го комплексного элемента Λ_m, определяемое наклоном волнового фронта сигнала m-го ИИ относительно опорного канала АР; А_m - комплексная амплитуда сигнала m-го ИИ на опорном канале АР; - комплексный цифровой вектор сигнала, формируемый из пространственных отсчетов х_n(k), регистрируемых последовательно расположенными L (L<N) каналами АР относительно ее канала с номером "1+l" (опорного канала) в k-й момент времени; , - текущее и экстраполированное значение вектора комплексных коэффициентов Λ соответственно; , - матрицы дисперсии ошибок фильтрации и экстраполяции вектора Λ соответственно; g_Λ - матрица пересчета приращений вектора Λ для k-го шага наблюдения на следующий шаг; - матрица параметрической модели входного сигнала; - матрица векторов , устанавливающих фазовое распределение сигнала m-го ИИ относительно опорного канала АР; - вектор комплексных амплитуд сигналов ИИ на опорном канале АР; - значение матрицы параметрической модели входного сигнала для экстраполированной оценки вектора Λ; - матрица крутизн измерителя АФР сигналов ИИ; - значение матрицы крутизн измерителя АФР сигналов ИИ для экстраполированной оценки вектора Λ; - мощность внутренних шумов каналов АР; I - единичная матрица; "+" - знак эрмитого сопряжения; "j" - мнимая единица, N - число каналов АР.

Результатом решения уравнений (4)-(5) является вектор устанавливающий АФР сигналов каждого из ИИ относительно опорного канала АР, что позволяет сформировать требуемые векторы r_m, . В выражении (3) значения коэффициента по элементам АР, выбирается из условия обеспечения уровня ее бокового излучения. Отметим, что отличительной особенностью алгоритма, представленного разностными уравнениями (4)-(5), является раздельная оценка АФР сигналов ИИ в условии априорной неопределенности относительно числа и пространственного положения [9].

В соответствии с (2) показателем, характеризующим эффективность заявляемого способа поиска РЭС, являющихся ИИ, рассматривается величина вероятности правильного обнаружения случайного сигнала, являющимся нормальным случайным процессом [10, стр. 84] с равномерно распределенной случайной фазой на фоне взаимных помех и внутреннего шума пространственных приемных каналов [10, стр. 140]

где D - вероятность правильного обнаружения; F - вероятность ложной тревоги; q - отношение сигнал/помеха + шум в полосе частот блока цифрового приемного устройства.

Для процесса обнаружения сигнала m-го ИИ по способу-прототипу при наличии М-1-го сигнала, действующих в полосе частот блока цифрового приемного устройства, величина отношения сигнал/помеха + шум определяется формулой [6, стр. 120]

где - отношение сигнал/шум для m-го ИИ; - отношение сигнал/шум для l-го ИИ, являющимся помеховым по отношению к m-му; , Р₀ - мощности m (l)-го ИИ и внутреннего шума приемных каналов соответственно.

Для процесса обнаружения сигнала m-го ИИ по заявляемому способу, формирование РПК в направлении m-го ИИ, при наличии сигналов М-1-го ИИ, обеспечивает отношение сигнал/помеха + шум в полосе частот блока цифрового приемного устройства определяемое формулой [8, стр. 83]

где , - вектор фазового распределения сигнала m-го ИИ регистрируемого каналами АР; R_nn - корреляционная матрица сигналов ИИ, являющихся помеховыми для m-го и внутренних шумов приемных каналов АР.

Корреляционная матрица R_nn в (10) определяется в соответствии в формулой [11, стр. 328]

где Р_l, - мощность и вектор фазового распределения сигнала l-го ИИ на регистрируемого пространственными каналами приема; Р₀ - мощность внутренних шумов пространственных приемных каналов; I - единичная матрица.

Отношение является коэффициентом, показывающим выигрыш в отношении сигнал/помеха + шум в полосе блока цифрового приемного устройства по заявляемому способу. С учетом (9), (10) [6, стр. 123]

где q_l - характеризует отношение помеха/шум для l-го помехового воздействия; α_l - относительная доля энергии сигнала m-го ИИ пораженного l-й помехой; λ₁ - l-е собственное число матрицы R_nn.

Подставляя (9), (10) в (8) и учитывая (12), коэффициент , устанавливающий величину повышения эффективности комплекса радиоконтроля по заявляемому способу по показателю "вероятность правильного обнаружения сигнала" (формула (8)) может быть рассчитан в соответствии с формулой

где

Таким образом заявляемый способ позволяет в K_q (K_q>1) раз повысить отношение сигнал/помеха + шум в полосе частот приемного устройства комплекса радиоконтроля, когда сигналы ИИ имеют перекрывающиеся энергетические спектры и/или одновременно регистрируются пространственно-разнесенными приемными каналами комплекса радиоконтроля. Следствием этого является расширение области применения изобретения и создание способа поиска ИИ, использование которого в комплексах радиоконтроля позволяет в K^D (K^D>1) раз повысить эффективность поиска ИИ, сигналы которых имеют перекрывающиеся энергетические спектры и/или одновременно регистрируются пространственно-разнесенными приемными каналами комплекса.

Заявляемый способ поиска ИИ поясняется чертежами, представленными на фиг. 1-4, и графиками, представленными на фиг. 5, 6.

На фиг. 1 представлена электрическая структурная схема комплекса радиоконтроля, реализующий заявляемый способ поиска ИИ.

На фиг. 2 представлена электрическая структурная схема блока диаграммообразующей схемы (ДОС).

На фиг. 3 представлена электрическая структурная схема блока цифровой антенной решетки (ЦАР).

На фиг. 4 представлена электрическая структурная схема блока раздельного пространственного канала (РПК).

На фиг. 5 представлены результаты имитационного моделирования работы блока вычислителя амплитудно-фазовых распределений для М=3, когда источники излучений располагались под углами θ₁=-40°, θ₂=10°, θ₃=30° относительно нормали к антенной решетки.

На фиг. 6 представлена диаграмма направленности АР, формируемая блоком цифровых антенных решеток в направлении ИИ, находящегося под углом θ₂=10° относительно нормали к АР, при М=3.

Цифрами на фиг. 1-4 обозначены:

1 - блок приемного элемента антенной решетки (АР), образованной пространственно-разнесенными приемными каналами комплекса радиоконтроля;

2 - блок преобразователя частоты;

3 - блок аналого-цифрового преобразователя (АЦП);

4 - блок вычислителя амплитудно-фазовых распределений (АФР);

5 - блок вычислителя векторов весовых коэффициентов (ВВК);

6 - блок диаграммообразующй схемы (ДОС);

7 - блок цифрового приемного устройства;

8 - блок цифровой антенной решетки (ЦАР);

9 - блок раздельных пространственных каналов (РПК);

10 - блок комплексного взвешивания сигналов;

11 - блок L-входового сумматора.

Комплекс радиоконтроля (фиг. 1) содержит N блоков 1 приемных элементов АР, являющихся пространственно-разнесенными приемными каналами комплекса радиоконтроля, TV блоков 2 преобразователей частоты, N блоков 3 аналого-цифровых преобразователей (АЦП), блок 6 диаграммообразующей схемы (ДОС), блок 4 вычислителя амплитудно-фазовых распределений (АФР), блок 5 вычислителя векторов весовых коэффициентов (ВВК), N блоков 7 цифровых приемных устройств. При этом выходы N блоков 1 приемных элементов АР последовательно, через соответствующие блоки 2 преобразователей частоты, соединены со входами соответствующих блоков 3 АЦП. Выходы N блоков 3 АЦП параллельно соединены с соответствующими входами блока 6 ДОС, образующих первую группу входов блока 6 ДОС, и соответствующими входами блока 4 вычислителя АФР.

Блок 6 ДОС (фиг. 2) содержит М блоков 8 ЦАР. Группы входов каждого блока 8 ЦАР параллельно соединены между собой, являются первой группой входов блока 6 ДОС. Каждый из блоков 8 ЦАР (фиг. 3) содержит N-L+1 блоков 9 РПК. Каждый i-й блок 9 РПК (фиг. 4) содержит L блоков 10 комплексного взвешивания сигналов и блок 11 L-входового сумматора. При этом первые входы блоков 10 комплексного взвешивания сигналов i-го блока 9 РПК соединены с выходом соответствующих блоков 3 АЦП и образуют первую группой входов i-го блока 9 РПК. Группы первых входов блоков 9 РПК являются первой группой входов блока 8 ЦАР.

Вторые входы блоков 10 комплексного взвешивания сигналов i-го блока 9 РПК соединены с соответствующими выходами блока 5 вычислителя ВВК и образуют вторую группу входов i-го блока 9 РПК. Группы вторых входов блоков 9 РПК является второй группой входов блока 8 ЦАР.

Выходы каждого из блоков 10 комплексного взвешивания сигналов i-го блока 9 РПК соединены с соответствующим входом блока 11 L-входового сумматора. Выход L-входового сумматора i-го блока 9 РПК является выходом i-го блока 9 РПК. Выходы N-L+1 блоков 9 РПК i-го блока 8 ЦАР образуют группу выходов i-го блока 8 ЦАР. Группа выходов i-го блока 8 ЦАР образуют i-ю группу выходов блока 3 ДОС.

Группа выходов блока 4 вычислителя АФР соединена с группой входов блока 5 вычислителя ВВК. Группа выходов блока 5 вычислителя ВВК соединена со второй группой входов блока 6 ДОС. Каждая из М групп выходов блока 6 ДОС соединена с группой входов соответствующего блока 7 цифрового приемного устройства.

Блок 1 приемного элемента АР предназначен для приема (регистрацию) сигналов ИИ, может быть выполнен, например, в виде печатной антенны [12, с. 268].

Блок 2 преобразователя частоты предназначен для переноса временного спектра сигналов, регистрируемых приемными элементами комплекса радиоконтроля, в область низких частот, может быть выполнен в виде ключевого DSB-смесителя реализованного, например, на базе микросхемы 74НС4053 [13].

Блок 3 аналого-цифрового преобразования предназначен для преобразования принятого сигнала ИИ в цифровую форму, может быть выполнен, например, на базе субмодуля ADM214x10M [14].

Блок 4 вычислителя амплитудно-фазовых распределений предназначен для вычисления амплитудно-фазовых распределений сигналов каждого из ИИ создаваемых ими на приемных элементах АР в соответствии с разностными уравнениями

где - вектор комплексных коэффициентов с элементами , ; Δφ_m - значение фазы m-го комплексного элемента Λ_m, определяемое наклоном волнового фронта сигнала m-го ИИ относительно опорного канала АР; А_m - комплексная амплитуда сигнала m-го ИИ на опорном канале АР; - комплексный цифровой вектор сигнала, формируемый из пространственных отсчетов х_n(k), регистрируемых последовательно расположенными L (L<N) каналами АР относительно ее канала с номером "1+l" (опорного канала) в k-й момент времени; - текущее и экстраполированное значение вектора комплексных коэффициентов Λ соответственно; , - матрицы дисперсии ошибок фильтрации и экстраполяции вектора Λ соответственно; g_Λ - матрица пересчета приращений вектора Λ для k-го шага наблюдения на следующий шаг; - матрица параметрической модели входного сигнала; - матрица векторов , устанавливающих фазовое распределение сигнала m-го ИИ относительно опорного канала АР; - вектор комплексных амплитуд сигналов ИИ на опорном канале АР; - значение матрицы параметрической модели входного сигнала для экстраполированной оценки вектора Λ; - матрица крутизн измерителя АФР сигналов ИИ; - значение матрицы крутизн измерителя АФР сигналов ИИ для экстраполированной оценки вектора Λ; - мощность внутренних шумов каналов АР; I - единичная матрица; "+" - знак эрмитого сопряжения; "j" - мнимая единица, N - число каналов АР, может быть реализован в цифровом процессоре обработки сигналов, например, микросхеме TMS320C6x [15, с. 34].

Блок 5 вычислителя векторов весовых коэффициентов предназначен для вычисления вектора весовых коэффициентов ЦАР в соответствии с формулой

где - вектор комплексных весовых коэффициентов формирования i-й ДН; - вектор фазового распределения сигнала m-го ИИ на L каналах АР; - диагональная матрица амплитудного распределения i-го вектора комплексных коэффициентов; - значение коэффициента, определяющего амплитудное распределение вектора комплексных весовых коэффициентов на n-м канале АР для формировании ДН в направлении i-го ИИ; "*" - знак комплексного сопряжения, может быть реализован в цифровом процессоре обработки сигналов, например, микросхеме TMS320C6x [13, с. 34].

Блок 6 диаграммообразующей схемы предназначен для реализации пространственной обработки сигналов М ИИ, регистрируемых АР комплекса радиоконтроля, может быть реализован в цифровом процессоре обработки сигналов, например, микросхеме TMS320C6x [15, с. 34].

Блок 7 цифрового приемного устройства, предназначен для обработка цифровых сигналов с целью обнаружения сигналов ИИ их частотно-временной локализации и идентификации, определения пеленгов ИИ, может быть реализован в цифровом процессоре обработки сигналов, например, микросхеме TMS320C6x [15, с. 34].

Блок 8 цифровых антенных решеток предназначен для реализации пространственной обработки сигнала i-го ИИ из числа находящихся в контролируемой зоне пространства и регистрируемого АР комплекса радиоконтроля, может быть реализован в цифровом процессоре обработки сигналов, например, микросхеме TMS320C6x [15, c.34].

Блок 9 раздельного пространственного канала, предназначен для формирования диаграммы направленности цифровой антенной решетки в соответствии с формулой

где - вектор пространственных отсчетов комплексного цифрового сигнала на выходе i-й АР; - матрица, составленная из векторов , формируемых из пространственных отсчетов сигнала х_n, регистрируемых N канальной АР, начиная с n-го; х_n - комплексная цифровая амплитуда сигнала, регистрируемая n-м каналом АР; - измеренное значение комплексного весового коэффициента n-го канала АР для формирования i-й ДН, может быть реализован в цифровом процессоре обработки сигналов, например, микросхеме TMS320C6x [15, с. 34].

Блок 10 комплексного взвешивания сигналов осуществляет умножение цифровых комплексных сигналов, поступающих на его соответствующие входы в соответствии с правилом

где х₀ - сигнал на выходе блока комплексного взвешивания сигналов, х₁ - сигнал на первом входе блока комплексного взвешивания сигналов, х₂ - сигнал на втором входе блока комплексного взвешивания сигналов, "*" - знак комплексного сопряжения, может быть реализован в цифровом процессоре обработки сигналов, например, микросхеме TMS320C6x [15, с. 34];

блок 11 L-входовый сумматор, осуществляет суммирования цифровых комплексных сигналов поступающих на его входы в соответствии с правилом

где х₀ - сигнал на выходе L-входового сумматора; х_l - цифровой комплексный сигнал поступающий на l-й вход L-входового сумматора, может быть реализован в цифровом процессоре обработки сигналов, например, микросхеме TMS320C6x [15, с. 34].

Работа комплекса радиоконтроля, функционирующего по предложенному способу, поясняется фиг. 1.

Пусть в пространственной зоне контроля комплекса находятся М РЭС, излучающие в течении времени Т сигналы (источники излучения). Сигналы, излучаемые РЭС, формируют на блоках 1 приемных элементах АР общий сигнал х(t), являющийся аддитивной смесью сигналов ИИ и внутренних шумов приемных каналов

где - вектор пространственных отсчетов входного сигнала, принимаемый блоками 1 приемных элементов АР; - вектор пространственных отсчетов сигнала m-го ИИ, принимаемый блоками 1 приемных элементов АР; - вектор пространственных отсчетов внутренних шумов приемных каналов АР; N - число приемных элементов АР.

Пространственные отсчеты x_n(t),сигнала x(t) регистрируются N блоками 1 приемных элементов АР в моменты времени "k", k=0, 1, 2, … и через блоки 2 преобразователей частоты поступают на соответствующие блоки 3 АЦП. В N блоках 3 АЦП пространственные отсчеты х_n(k), сигнала x_n(t), для каждого момента времени "k" преобразуются в цифровую форму (оцифровываются). С N блоков 3 АЦП, оцифрованные пространственные отсчеты х_n(k), , упорядоченные в виде вектора цифровых сигналов, поступают в блок 4 вычислителя АФР. В блоке 4 вычислителя АФР в соответствии с формулами (4)-(7) вычисляются значения АФР, создаваемые сигналами каждого из ИИ на N блоках 1 приемных элементах АР.

Значения элементов Λ_m(k), комплексного вектора , определяемых поканальным фазовым набегом Δφ(k), сигналов, ИИ которых находятся в пространственной зоне контроля, вычисляемые в блоке 4 вычислителя АФР для каждого момента времени k, в виде вектора поступают в блок 5 вычислителя ВВК. В блоке 5 вычислителя ВВК для каждого момента времени к выполняется вычисление векторов ВВК W_m(k), для каждого из ИИ в соответствии с формулой (3) настоящей заявки. Вычисленные в блоке 5 вычислителя ВВК значения W_m(k), через вторую группу входов блока 6 ДОС поступают на вторые группы входов соответствующих блоков 8 ЦАР. При этом, на вторую группу входов i-го блока 8 ЦАР поступает i-й ВВК W_i(k). В i-м блоке 8 ЦАР i-й ВВК W_i(k) поступает на вторую группу входов каждого из N-L+1 блоков 9 РПК. При этом, на первую группу входов i-го блока 9 РПК поступает упорядоченный вектор сигнала , образованный L пространственными отсчетами сигнала Х(k) оцифрованных в N блоках 3 АЦП начиная с i-го. Обработка вектора в каждом i-м блоке 9 РПК выполняется в соответствии с формулой (2). Т.е. в каждом i-м блоке 9 РПК выполняется цифровое формирование ДН, луч которой ориентирован в направлении i-го ИИ, а в направлении оставшихся М-1 ИИ - нули ДН.

По истечении времени адаптации определяемое окончанием переходных процессов в блоке 4 вычислителя АФР, для установившегося значения комплексного вектора Λ, на выходе i-го блока 8 ЦАР формируются N-L+1 пространственных отсчетов являющихся сигналами i-го ИИ принимаемые i-й ДН i-го блока 9 РПК, у которой луч ориентирован в направлении i-го ИИ, а в направлении М-1 ИИ сформированы "нули". Это позволяет во входном сигнале каждого i-го блока 7 цифрового приемного устройства, представленного N-L+1 пространственными отсчетами увеличить отношение сигнал/помеха + шум в K_q (K_q>1) раз, где K_q - коэффициент, характеризующий выигрыш в отношении сигнал/помеха + шум в анализируемой полосе частот блока 7 цифрового приемного устройства по заявляемому способу, вычисляемый в соответствии с формулой (12). Увеличение отношения сигнал/помеха + шум в K_q (K_q>1) на входе каждого из блоков 7 цифрового приемного устройства повышает эффективность поиска ИИ по показателю "вероятность правильного обнаружения сигнала ИИ" в K^D, (K^D>1) раз, где К^D - коэффициент, характеризующий величину повышения эффективности комплекса радиоконтроля по заявляемому способу, вычисляемый в соответствии с формулой (13).

На фиг. 5 представлены результаты цифрового моделирования работы блока 4 вычислителя АФР в виде временных графиков в прямоугольной системе координат, демонстрирующих процесс формирования оценок первых М элементов вектора фильтруемого процесса Λ(k). По оси ординат отложены значения поканальных фазовых набегов, создаваемых сигналами ИИ на элементах АР (элементы Λ_i, ), пересчитанные в значения угловых координат ИИ относительно ее нормали. По оси абсцисс - значения моментов времени "k". Моделировалась трехцелевая ситуация (М=3), когда ИИ находились под углами θ₁=-40°, θ₂=10°, θ₃=30° относительно нормали к АР комплекса. В качестве антенны комплекса радиоконтроля рассматривалась пятнадцати элементная АР N=15 при N-L, с шагом d равным , где - центральная частота анализируемой полосы частот блока 7 цифрового приемного устройства; с - скорость света. Отношение сигнал/шум для ИИ составляло q_i ~ 5 дБ, . Полагалось, что поражение помехой энергетического спектра сигнала составляло α_i ~ 30% . Из представленных результатов следует, что блок 4 вычислителя АФР выполняет вычисление поканального фазового набега Δφ_i. сигналов каждого из ИИ находящихся под углами θ₁=-40°, θ₂=10°, θ₃=30°, априорное положение которых по условию моделирования было неизвестно. В качестве опорного канала (канала относительно которого отсчитываются поканальные фазовые набеги, создаваемые сигнала ИИ на элементах АР), рассматривался первый приемный канал АР комплекса.

На фиг. 6 представлены результаты работы 2-го блока 9 РПК для моделируемой ситуации, представленные в виде ДН по мощности в прямоугольной системе координат, когда по оси абсцисс отложены значения угловой координаты ИИ, по оси ординат - ее нормированное значение. ВВК W₂ блоков 9 РПК формировался в соответствии с формулой (3) по результатам работы блока 4 вычислителя АФР. Как следует из представленной ДН по мощности, в направлении ИИ находящегося под углом θ₂=10° формируется главный лепесток ДН (луч ДН), а в отношении ИИ находящихся под углами θ₁=-40°, θ₃=30° относительно нормали к АР - формируются "нули" ДН.

Для моделируемой ситуации, выполнение измерения АФР, создаваемых сигналами каждого из ИИ на пространственно-разнесенных приемных каналах, с последующим расчетом распределений цифровых комплексных амплитуд весовых коэффициентов по пространственным каналам, необходимых для раздельного цифрового формирования М=3 ДН в направлении М=3 ИИ, когда луч каждой i-й ДН ориентирован в направлении i-го ИИ, а "нули" i-й ДН ориентированы в направлении оставшихся ИИ и раздельного формирования упомянутых М=3 ДН, во входном сигнале блока 7 цифрового приемного устройства позволяет увеличить отношение сигнал/помеха + шум на ~11,7 дБ, что обеспечивает увеличение эффективности поиска сигналов ИИ имеющих перекрывающиеся энергетические спектры в ~3,8 раза при вероятности ложной тревоги F ~10^-3.

Таким образом заявляемый способ для моделируемой ситуации позволил на ~11,7 дБ повысить отношение сигнал/помеха + шум в полосе частот приемного устройства комплекса радиоконтроля, когда сигналов ИИ имеют перекрывающиеся энергетические спектры с коэффициентом перекрытия ~30% и одновременно регистрируются пространственно-разнесенными приемными каналами комплекса радиоконтроля. Следствием этого является расширение области применения изобретения и создание способа поиска ИИ, использование которого в комплексах радиоконтроля позволило в ~3,8 раза повысить эффективность поиска ИИ, сигналы которых имеют перекрывающиеся энергетические спектры с коэффициентом перекрытия ~30% и одновременно регистрируются пространственно-разнесенными приемными каналами комплекса.

Источники информации

1. Патент US 3887923, кл. G01S 5/02, 1975 г.

2. Патент RU 2319976, кл. G01S 5/04, 2006 г.

3. ГОСТ 24375-80. Радиосвязь. Термины и определения.

4. ГОСТ 23282-91. Решетки антенные. Термины и определения.

5. Анго Андре. Математика для электро- и радиоинженеров / Андре Анго. М.: Наука, 1965. - 780 с.

6. Радзиевский В.Г. Информационное обеспечение радиоэлектронных систем в условиях конфликта / В.Г. Радзиевский, А.А. Сирота. - М.: ИПРЖР, 2001. - 456 с.

7. Григорьев Л.Н. Цифровое формирование диаграммы направленности в фазированных антенных решетках / Л.Н. Григорьев. - М.: Радиотехника, 2010 г. - 141 с.

8. Монзинго Р.А. Адаптивные антенные решетки. Введение в теорию / Р.А. Монзинго, Т.У. Миллер. - М.: Радио и связь, 1986. - 448 с.

9. Зайцев А.Г. Алгоритм пространственного разделения коррелированных сигналов источников излучения / А.Г. Зайцев, В.М. Мачулин, И.П. Шепеть, С.В. Ягольников // Радиотехника. - 2001. - №5. - С. 92-95.

10. Охрименко А.Е. Основы радиолокации и радиоэлектронная борьба. Часть 1. Основы радиолокации. / А.Е. Охрименко. - М.: Воен. издат-во, 1983. - 455 с.

11. Ширман Я.Д. Теория и техника обработки радиолокационной информации на фоне помех / Я.Д. Ширман, В.Н. Манжос. - М.: Радио и связь, 1981. - 416 с.

12. Устройства СВЧ и антенны. Проектирование фазированных антенных решеток / под ред. Д.И. Воскресенского. М.: Радиотехника. - 2003. - 631 с.

13. http://www.nxp.com.

14. www.insys.ru, info@insys.ru, ЗАО "Инструментальные системы".

15. Остапенко А.Г. Цифровые процессоры обработки сигналов: Справочник. / А.Г. Остапенко, С.И. Лавлинский, А.Б. Сушков и др. - М.: Радио и связь, 264 с. - 1994.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах радиоконтроля. Достигаемый технический результат - повышение эффективности поиска источников излучения, сигналы которых имеют перекрывающиеся энергетические спектры и/или одновременно регистрируются пространственно-разнесенными приемными каналами комплекса радиоконтроля. Указанный результат достигается за счет того, что способ поиска источников излучений (ИИ) сложных сигналов включает когерентный прием сигналов ИИ пространственно-разнесенными приемными каналами, синхронное преобразование принятых сигналов в цифровую форму и дальнейшую их обработку в цифровом приемном устройстве с целью обнаружения сигналов ИИ, их частотно-временной локализации и идентификации, определения пеленгов ИИ, при этом до обработки принятого сигнала в цифровом приемном устройстве выполняют цифровое формирование M диаграмм направленностей (ДН) таким образом, что луч каждой i-й ДН ориентирован в направлении i-го ИИ, а в направлении оставшихся M-1 ИИ формируются "нули" ДН. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ поиска источников излучений (ИИ) сложных сигналов, включающий когерентный прием сигналов ИИ пространственно-разнесенными приемными каналами, образующими линейную эквидистантную антенную решетку (АР), синхронное преобразование принятых сигналов в цифровую форму и дальнейшую их обработку в цифровом приемном устройстве с целью обнаружения сигналов ИИ, их частотно-временной локализации и идентификации, определения пеленгов ИИ, отличающийся тем, что дополнительно до упомянутой обработки в цифровом приемном устройстве по мере поступления отсчетов сигналов, регистрируемых каналами АР в каждом k-м моменте времени, выполняют вычисление вектора комплексных коэффициентов , где М - число ИИ, устанавливающих амплитудно-фазовое распределение (АФР) сигналов каждого из ИИ относительно опорного канала АР в соответствии со следующими рекуррентными уравнениями
;
;
;
,
где - вектор комплексных коэффициентов с элементами Λ_m=|Λ_m|ехр(jΔφ_m), Λ_m+M=A_m, ; Δφ_m - значение фазы m-го комплексного элемента Λ_m, определяемое наклоном волнового фронта сигнала m-го ИИ относительно опорного канала АР; A_m - комплексная амплитуда сигнала m-го ИИ на опорном канале АР; - комплексный цифровой вектор сигнала, формируемый из пространственных отсчетов, регистрируемых последовательно расположенными L (L<N) каналами АР относительно ее канала с номером "1+l" (опорного канала) в k-й момент времени; Λ(k), Λ(k, k-1) - текущее и экстраполированное значение вектора комплексных коэффициентов Λ соответственно; K^Λ(k), K^Λ(k, k-1) - матрицы дисперсии ошибок фильтрации и экстраполяции вектора Λ соответственно; g_Λ - матрица пересчета приращений вектора Λ для k-го шага наблюдения на следующий шаг; Н(Λ)=H₁(Λ)H₂(Λ) - матрица параметрической модели входного сигнала; - матрица векторов , устанавливающих фазовое распределение сигнала m-го ИИ относительно опорного канала АР; - вектор комплексных амплитуд сигналов ИИ на опорном канале АР; - значение матрицы параметрической модели входного сигнала для экстраполированной оценки вектора Λ; - матрица крутизн измерителя АФР сигналов ИИ; - значение матрицы крутизн измерителя АФР сигналов ИИ для экстраполированной оценки вектора Λ; - мощность внутренних шумов каналов АР; I - единичная матрица; "+" - знак эрмитого сопряжения; "j" - мнимая единица, N - число каналов АР, далее по установившемуся значению вычисляют М векторов комплексных весовых коэффициентов АР , , где L - число каналов АР, обеспечивающих раздельное цифровое формирование М диаграмм направленностей (ДН) в направлении М ИИ, когда луч каждой i-й ДН ориентирован в направлении i-го ИИ, а "нули" i-й ДН ориентированы в направлении оставшихся М-1 ИИ, в соответствии с формулой
,
где - вектор комплексных весовых коэффициентов формирования i-й ДН; - вектор фазового распределения сигнала m-го ИИ на L каналах АР; - диагональная матрица амплитудного распределения i-го вектора комплексных коэффициентов; - значение коэффициента, определяющего амплитудное распределение вектора комплексных весовых коэффициентов на n-м канале АР для формировании ДН в направлении i-го ИИ; "∗" - знак комплексного сопряжения, и по вычисленным значениям векторов комплексных весовых коэффициентов W_i, осуществляют раздельное цифровое формирование упомянутых М ДН.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что цифровое формирование i-й ДН в направлении i-го ИИ выполняют по следующей формуле
,
где - вектор пространственных отсчетов комплексного цифрового сигнала на выходе i-й АР; - матрица, составленная из векторов , формируемых из пространственных отсчетов сигнала x_n, регистрируемых N-канальной АР, начиная с n-го; x_n - комплексная цифровая амплитуда сигнала, регистрируемая n-м каналом АР; - измеренное значение комплексного весового коэффициента n-го канала АР для формирования i-й ДН.