Способ обнаружения источника радиоимпульсов Российский патент 2018 года по МПК G01S1/00 

Изобретение относится к радиотехнике, а именно, к методам и средствам обнаружения источника радиоимпульсов в задачах радио и радиотехнической разведки.

Известны способы и средства обнаружения радиоимпульсов при возможном присутствии непрерывных помех [1; 2; 3; 4], базирующиеся на использовании одинаковых и одинаково направленных датчиков поля, распределенных в пространстве линейно (или на плоскости) с постоянным шагом, осуществляющих сначала преобразование поля на входе каждого n-го датчика (n=1,2,…,N) в высокочастотный сигнал S_n(t) на его выходе, а затем реализующие пространственную обработку сигналов S_n(t). Пространственная обработка заключается в оценивании пространственного углового спектра излучений в полосе частот радиоимпульсов и последующим формированием такой диаграммы направленности антенной системы, образуемой датчиками поля, которая осуществляет максимальное пространственное подавление помех с сохранением усиления в направлении на источник радиоимпульсов.

Недостаток аналогов состоит в низких характеристиках обнаружения источника радиоимпульсов в условиях воздействия помех, энергия которых в полосе частот радиоимпульсов значительно превышает энергию радиоимпульсов, а пространственное угловое распределение помехового поля в окрестности антенной системы обнаружителя близко к непрерывному. Такая ситуация возникает, например, когда в пространстве, окружающем обнаружитель, присутствует большое количество предметов, отражающих излучение удаленных активных источников мощных помех в направлении обнаружителя, а число различных направлений на указанные пассивные источники помех превосходит число датчиков антенной системы.

Все алгоритмы пространственной обработки [1; 2; 3; 4] в чистом виде не применимы, когда антенные датчики по-разному ориентированы или произвольно расположены в пространстве.

Среди аналогов наиболее близким к предложенному является способ [1, стр. 23], в котором пространственная обработка сигналов S_n(t) является линейной и осуществляется посредством взвешенного суммирования S_n(t) по n=l,2,…,N, в результате которого формируется общая для всего обнаружителя диаграмма направленности, а обнаружение источника радиоимпульсов осуществляется по сигналу с единственного выхода антенной системы, причем эта процедура неразрывно связана с обязательной и одновременной оценкой направлений на все источники излучения: как на источник радиоимпульсов, так и на все помеховые источники, что требует значительных временных затрат.

Недостаток прототипа состоит в низких характеристиках обнаружения источника радиоимпульсов.

Целью изобретения является повышение эффективности обнаружения источника радиоимпульсов.

Для достижения поставленной цели в способе обнаружения источника радиоимпульсов, в котором осуществляется преобразование поля на входе N датчиков в высокочастотные сигналы S_n(t) (n=1,2,…,N) в полосе частот радиоимпульсов и формирование по данным S_n(t) выходного сигнала обнаружителя U(t), ДОПОЛНИТЕЛЬНО осуществляется преобразование каждой пары сигналов S_n(t), S_m(t) в пару сигналов X_nm(t), Y_nm(t) на выходах соответствующих угловых дискриминаторов, задержка X_nm(t) и Y_nm(t) на время х длительности радиоимпульсов, формирование разностных сигналов

выделение амплитуд A_nm(t) и B_nm(t) разностных сигналов ΔX_nm(t) и ΔY_nm(t) соответственно, ПРИЧЕМ выходной сигнала U(t) является результатом суммирования амплитуд A_nm(t) и B_nm(t):

На фиг. 1 изображена функциональная схема обнаружителя, реализующего предложенный способ, элементы 1÷7 которой несут следующее техническое содержание: 1_n, n=l,2,…,N, - датчики поля; 2 -разветвитель сигналов; 3 - угловые дискриминаторы. Общее количество угловых дискриминаторов в обнаружителе фиг. 1 равно числу сочетаний из N по 2; 4 - блок формирования разностных сигналов ΔX_nm(t) и ΔY_nm(t) согласно алгоритму (1) и выделения амплитуд A_nm(t) разностных сигналов ΔX_nm(t) и амплитуд B_nm(t) разностных сигналов ΔY_nm(t); 5 - сумматор, реализующий алгоритм (2); 6 - пороговая схема, на выходе которой наблюдается логическая «единица», если порог был превышен, или логический «ноль», если порог не был превышен. В датчиках поля 1_n осуществляется:

- преобразование поля в высокочастотные сигналы S_n(t);

- перенос, если необходимо, сигналов S_n(t) на промежуточную частоту с использованием общего для всех датчиков гетеродина;

- подавление частот сигналов S_n(t), расположенных вне полосы частот радиоимпульсов с центральной частотой ω₀:

На фиг. 2 изображена функциональная схема угловых дискриминаторов 3, входящих в обнаружитель фиг. 1, элементы 7÷10 которых несут следующее техническое содержание: 7 - схема суммирования; 8 - схема вычитания; 9 - фазовый детектор; 10 -фазовращатель на π/2. По существу, схема фиг. 2 совпадает с известной схемой углового дискриминатора с суммарно-разностной обработкой входных сигналов S_n(t) и S_m(t) [5, стр. 250]. Время t на фиг. 1 и фиг. 2 для простоты не указано.

На фиг. 3 изображена схема логического объединения выходных данных предложенного и вспомогательного обнаружителей.

Перейдем к доказательству положительного эффекта, достигаемого в предложенном способе, используя комплексное представление S_n(t) сигналов S_n(t) и приняв следующие условия:

- спектр радиоимпульсов лежит в полосе частот (3), его центральная частота совпадает с частотой ω₀, а ширина спектра совпадает с шириной полосы Δω и удовлетворяет условию

где (L/C) есть отношение максимального линейного размера антенной системы обнаружителя L к скорости скорость света С, т.е. (L/C) - это время пробега электромагнитной волны вдоль антенной системы;

- имеется единственный источник активной помехи и поэтому все помеховые источники, как активный, так и пассивные, имеют одинаковую модуляцию. Помеха создается, во-первых, самим активным источником помехи, и во-вторых, пассивными источниками помех в количестве К единиц, отражающими в направлении датчиков поля электромагнитные волны источника активной помехи, при этом число дискретных направлений в угловом спектре помехи больше N;

- мощность внутренних шумов обнаружителя настолько мала, что их влиянием можно пренебречь.

В случае, когда источник радиоимпульсов отсутствует, сигналы n-го и m-го датчиков имеют вид:

где b₀(t) - комплексное представление сигнал помехи (bad), наблюдаемого в центре антенной системы,

а слагаемые β_kn и β_km - комплексные величины, зависящие:

- от расположения, соответственно, n-го и m-го датчика относительно центра антенной системы, от ориентации и диаграммы направленности n-го и m-го датчика;

- от направления на k-й источник.

Модель (5), (6) выполняется тем точнее, чем меньше ширина спектра помехи и чем ближе к антенной системе группируются пассивные отражатели. Например, если помеха является чисто гармонической, то для выполнения (5), (6) никаких ограничений на расположение пассивных отражателей не требуется. В другом крайнем случае, когда ширина спектра помехи совпадает с шириной спектра радиоимпульсов, для выполнения (5), (6) пассивные отражатели должны располагаться в ближайшей окрестности антенной системы с выполнением условия (4), где под L следует понимать максимальную удаленность пассивных отражателей от центра антенной системы.

Суммарный S_n(t)+S_m(t) и разностный S_n(t) - S_m(t) сигналы с выходов схем суммирования 7 и схем вычитания 8 принимают вид

Сигналы на выходах фазовых детекторов 9 имеют вид

где знак «*» означает комплексное сопряжение, а знаки «Re» и «Im» - операцию выделения реальной и мнимой составляющих в выражениях (8). Подставляя (7) в (8), получаем:

Согласно принятым условиям, мощность помехи b₀(t)и₀(t)*является медленно меняющейся функцией времени, поэтому при малой длительности задержки τ в (1), равной длительности радиоимпульсов, разностные сигналы ΔX_nm(t) и ΔY_nm(t), их амплитуды A_nm(t) и B_nm(t) и выходной сигнал U(t) составляют малые величины.

В случае, когда на датчики поступают как помехи, так и радиоимпульсы g(t), выражения (5) и (6), согласно (4), примут вид:

где g₀(t) - радиоимпульс длительностью τ, наблюдаемый в центре антенной системы (его комплексное представление), а α_n и α_m - комплексные величины, зависящие соответственно:

- от расположения n-го и m-го датчика относительно центра антенной системы, от ориентации и диаграмм направленности n-го и m-го датчиков;

- от направления на источник радиоимпульса.

Суммарный S_n(t)+S_m(t) и разностный S_n(t) - S_m(t) сигналы с выходов схем суммирования 6 и схем вычитания 7 примут вид:

Из (1) и (11) следует, что на протяжении всего времени наблюдения сигналы ΔX_nm(t), ΔY_nm(t) сохраняют свое приблизительно нулевое значение до тех пор, пока на антенную систему не воздействует радиоимпульс g₀(t), который порождает в сигналах ΔX_nm(t), ΔY_nm(t) выбросы случайного характера длительностью τ. Эти выбросы, как нетрудно убедиться в результате подстановки (11) в (8) и нахождения выражений для сигналов ΔX_nm(t), ΔY_nm(t), являются суммой трех составляющих:

- приблизительно постоянных составляющих с произвольной полярностью

- и двух быстро осциллирующих составляющих

Вследствие случайного характера функций (12), (13), (14) амплитуды A_nm(t) сигналов ΔX_nm(t) и амплитуды B_nm(t) сигналов ΔY_nm(t) с высокой вероятностью отличаются от нулевых значений. Более того, при достаточно большом, 4÷6 и более, - числе датчиков поля, число различных пар сигналов S_n(t), S_m(t) получается равным 6÷15, что также повышает вероятность ненулевого значения выходного сигнала U(t) обнаружителя.

Таким образом, достигаемым техническим результатом является высокие характеристиками обнаружения источника радиоимпульсов в условиях воздействия помехи, пространственное угловое распределение поля которой близко к непрерывному. В отличие от аналогов, предложенный способ не накладывает жестких ограничений на ориентацию датчиков поля и их расположение в пространстве. Преимущества предложенного обнаружителя достигаются за счет перехода от линейной пространственной обработки сигналов S_n(t), требующей затрат времени на определение направлений на все источники излучения, включая источник радиоимпульсов, - к предложенной нелинейной пространственной обработке, обладающей свойством инвариантности к расположению источников излучения в пространстве.

В заключении необходимо отметить, что преимущества предложенного способа перед аналогами были обоснованы выше только для случая, когда предложенный обнаружитель и устройства обнаружения, реализующие способы-аналоги, находятся в одной и той же помеховой обстановке. В ситуации отсутствия помех предложенный способ не имеет преимуществ перед аналогами, а также перед множеством других известных способов, которые здесь не упоминались. Практически это означает, что при решении общей задачи обнаружения источника радиоимпульсов в различных, - как в помеховой, так и в беспомеховой, - обстановках, предложенный обнаружитель необходимо дополнить вспомогательным обнаружителем радиоимпульсов, предназначенным для обнаружения радиоимпульсов в условиях отсутствия помехи, и решить задачу объединения выходных данных обоих обнаружителей для принятия окончательного решения об обнаружении источника радиоимпульсов. Среди различных вариантов такого объединения остановимся на следующем, фиг. 3. Перед пороговой схемой №1 предложенного обнаружителя и пороговой схемой №2 вспомогательного обнаружителя вводятся ключевые схемы №1 и №2. Ключевая схемы №1 управляется сигналом с выхода пороговой схемы «энергетического» обнаружителя, а ключевая схема №2 управляется сигналом с выхода инвертора, подключенного к выходу пороговой схемы «энергетического» обнаружителя. Эти сигналы управления представляют собой логические «единицы» и логические «нули». В «энергетическом» обнаружителе [6, стр. 290], применительно к рассматриваемой антенной системы из N датчиков, осуществляется накопление энергии на выходе каждого датчика в течение временного интервала, равного периоду повторения радиоимпульсов, а в его пороговой схеме с порогом сравнивается суммарная по всем датчикам накопленная энергия. Учитывая значительное превышение энергии помехи над энергией радиоимпульсов, распознавание помеховой обстановки является весьма надежным. В каждый момент времени лишь одна из ключевых схем оказывается замкнутой и пропускает на соответствующую пороговую схему выходной сигнал лишь одного из обнаружителей, в то время как другая ключевая схема является разомкнутой. В пороговой схеме №1 с порогом сравнивается сигнал U(t), если в «энергетическом» обнаружителе произошло обнаружение помехи и ключевая схема №1 оказывается замкнутой, а ключевая схема №2 -разомкнутой. В пороговой схеме №2 с порогом сравнивается суммарная по всем датчикам энергия про детектированных радиоимпульсов [7, стр. 126], если в «энергетическом» обнаружителе не произошло обнаружение помехи и ключевая схема №2 оказывается замкнутой, а ключевая схема №1 -разомкнутой. Логические «единицы» с выходов пороговых схем №1 и №2 объединяются в логической схеме «ИЛИ», так что окончательное решение об обнаружении или не обнаружении источника радиоимпульсов принимается на выходе логической схемы «ИЛИ», т.е. либо по выходному сигналу U(t) предложенного обнаружителя, либо по выходному сигналу вспомогательного обнаружителя, в зависимости от того, произошло или нет обнаружение помехи в «энергетическом» обнаружителе.

Ввиду того, что построение двух дополнительных обнаружителей и пороговых схем общеизвестно, соответствующие действия, иллюстрируемые фиг. 3 и носящие скорее организационный, чем технический, характер, не вошли в формулу изобретения.

Источники информации

1. Уидроу Б., Стирнз С. Адаптивная обработка сигналов. Пер. с англ. - М., 1989.

2. Ширман Я.Д. Разрешение и сжатие сигналов. - М., 1974.

3. Караваев В.В., Сазонов В.В. Статистическая теория пассивной локации. - М., 1987.

4. Обработка сигналов в радиотехнических системах. /Под ред. А.П. Лукошкина.- Л., 1987.

5. Леонов А.И., Фомичев К.И. Моноимпульсная радиолокация. - 2-е изд. - М. 1984.

6. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники. Книга вторая. М. 1975.

7. Лезин Ю.С. Введение в теорию и технику радиотехнических систем. - М. 1986.

Изобретение относится к методам и средствам радио- и радиотехнической разведки, базирующимся на использовании разнесенных в пространстве N датчиков поля. Достигаемый технический результат - повышение достоверности принимаемых решений об обнаружении источника полезных радиоимпульсов. Указанный результат достигается за счет того, что каждая пара сигналов S_n(t) и S_m(t) с выходов n-го и m-го датчиков поля (n, m=1,2,…,N) преобразуется в пару сигналов X_nm(t) и Y_nm(t) на выходах соответствующих угловых дискриминаторов, сигналы X_nm(t) и Y_nm(t) задерживаются на время длительности τ полезных радиоимпульсов, а выходной сигнал U(t) обнаружителя формируется путем суммирования амплитуд A_nm(t) и B_nm(t) разностных сигналов соответственно ΔX_nm(t)=X_nm(t)-X_nm(t-τ) и ΔY_nm(t)=Y_nm(t)-Y_nm(t-τ): U(t)=Σ_nΣ_m[A_nm(t)+B_nm(t)]; n, m=1,2,…,N, m < n. 3 ил.

Способ обнаружения источника радиоимпульсов, в котором осуществляется преобразование поля на входе N датчиков в высокочастотные сигналы S_n(t) (n=1,2,…,N) на их выходах и формирование по данным S_n(t) выходного сигнала обнаружителя U(t), с целью повышения достоверности принимаемого решения об обнаружении источника радиоимпульсов дополнительно осуществляется преобразование каждой пары сигналов S_n(t) и S_m(t) с выходов n-го и m-го датчиков поля (n, m=1,2,…,N) в пару сигналов X_nm(t) и Y_nm(t) на выходах соответствующих угловых дискриминаторов с суммарно-разностной обработкой сигналов S_n(t) и S_m(t), задержка сигналов X_nm(t) и Y_nm(t) на время длительности τ полезных радиоимпульсов, а выходной сигнал обнаружителя U(t) формируется путем суммирования мгновенных амплитуд A_nm(t) и B_nm(t) разностных сигналов ΔX_nm(t)=X_nm(t)-X_nm(t-τ) и ΔY_nm(t)=Y_nm(t)-Y_nm(t-τ), соответственно: U(t)=Σ_nΣ_m[A_nm(t)+B_nm(t)], (n, m=1,2,…,N, m<n).