Способ улучшения разрешающей способности корреляционных методов пеленгации Российский патент 2019 года по МПК G01S5/04 

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в системах радиопеленгации для оценки направлений на источники излучения радиосигналов.

Известно множество корреляционных методов решения задач радиопеленгации: метод Кейпона [1], метод Боргиотти [2], метод MUSIC [3] и др.

Наиболее известный из корреляционных способов - метод Кейпона, заключающийся в приеме радиосигналов на многоэлементную антенную решетку (АР), состоящую из N слабонаправленных антенных элементов (АЭ), и радиоприемного устройства, в котором измеряют комплексные амплитуды радиосигналов на выходах антенн x_k(t) k=1, 2, …, K, где K - количество антенн и оценивают направления 9* на источники.

Вектор сигналов на выходах К антенных элементов решетки, имеет вид

где AN - матрица направленности размерности K*М, М - количество сигналов, - вектор сигналов, поступающих на антенную решетку с различных направлений, n(t) - вектор-столбец аддитивных собственных шумов в каналах антенной решетки размерности K,

Матрица направленности AN имеет вид

Она состоит из М векторов направленности

здесь λ - длина волны, d_k - расстояние от k-го антенного элемента до фазового центра антенной решетки.

Используя вектор сигналов на выходах антенных элементов решетки, вычисляют корреляционную матрицу [1, 2, 3]

где Е - оператор математического ожидания, - символ транспонирования и комплексного сопряжения.

Угловой спектр мощности, позволяющий определять направления на источники излучения методом Кейпона, определяют в виде

где вектор А(θ) имеет вид (3)

Углы θ максимумов углового спектра мощности Р_сар(θ) соответствуют направлениям на источники излучений.

Метод Кейпона, также как и все корреляционные алгоритмы пеленгации обладает невысокой разрешающей способностью при определении направлений на источники слабых сигналов из-за их маскирования сильными сигналами, расположенными на небольшом угловом расстоянии от них.

Способ улучшения разрешающей способности корреляционных методов пеленгации при определении направлений на источники слабых сигналов, замаскированных сильными сигналами, расположенными на небольшом угловом расстоянии от них, из всех доступных источников открытой публикации не найден.

Целью предлагаемого способа является повышение разрешающей способности корреляционных методов пеленгации и, в частности, определение направлений на слабые источники сигналов, замаскированные сильными сигналами. В основе этого способа лежит метод частичной компенсации сильных сигналов в пространственном спектре путем соответствующей модификации корреляционной матрицы.

Поставленная цель достигается тем, что для улучшения разрешающей способности корреляционных методов пеленгации, использующих для расчета пространственного спектра корреляционную матрицу R=E[XX^H], где Е - оператор математического ожидания, X - вектор сигналов в каналах антенной решетки, на первой стадии

- любым корреляционным методом пеленгации с использованием корреляционной матрицы R рассчитывается пространственный спектр мощности;

- проводится предварительная оценка пеленгов;

- выявляются направления θ_p, p=1, 2 …, P на P источников с наиболее сильными сигналами s_p, которые могут маскировать направления на слабые источники, расположенные на близких угловых к ним расстояниях;

- оцениваются наиболее сильные сигналы, поступающие на антенную решетку, из уравнения

следующим образом. Умножим обе части этого уравнения на AN^H получим

учитывая, что уровни собственного шума в каналах решетки много меньше уровней сигналов, оценку вектора сигналов из предыдущего равенства можно определить в виде

подставив в это уравнение А(θ_p) вместо AN получим равенство для расчета наиболее сильных сигналов

- оценивается вектор откликов в антенных элементах на наиболее сильные сигналы с направлений θ_p, p=1, 2 …, P,

- вектор откликов в антенных элементах с компенсацией этих сигналов примет вид

где β - коэффициент, учитывающий степень компенсации сильных сигналов, - матрица направленности, I - единичная матрица.

- формируется новая корреляционная матрица, обеспечивающая частичную компенсацию сильных сигналов в пространственном спектре

На второй стадии с использованием корреляционного метода пеленгации с новой корреляционной матрицей повторно рассчитывается угловой спектр, позволяющий выявлять направления на источники слабых сигналов, замаскированных сильными сигналами от источников, расположенных на близких угловых расстояниях.

Оценка эффективности предлагаемого способа проведена на примере ковариационного метода Кейпона.

На фиг. 1 показана Таблица 1 Амплитуды и направления прихода сигналов, на фиг. 2 показан пространственный спектр сигналов до компенсации сильных сигналов, на фиг. 3 показан пространственный спектр сигналов после компенсации двух сильных сигналов.

Для моделирования была выбрана однородная линейная антенная решетка из 7 элементов с круговой диаграммой направленности и расстояниями между ними d=0,5λ, где λ - длина волны несущего колебания. Антенные элементы располагались вдоль прямой линии. Угловые координаты антенных элементов ϕ1, ϕ2, …, ϕ7 соответственно равны 0, 0, 0, 0, 180,180, 180 градусов.

В качестве модели электромагнитного поля использовалась сумма пяти плоских электромагнитных волн, образованных частотно модулированными сигналами. Амплитуды и направления прихода сигналов приведены на Фиг. 1. Уровень белого шума с нормальным законом распределения в каналах пеленгования равен σ=0,5 мкВ/м.

Количество временных выборок, по которым формировалась оценка корреляционной матрицы, равно 100.

На Фиг. 2 представлен пространственный спектр до компенсации сильных сигналов, рассчитанный методом Кейпона в соответствии с исходными данными, приведенными в Таблице 1 (Фиг. 1). Видно, что определены направления 70°, 110° и 140° только на 3 источника сигналов. Направления на сигналы, приходящие с направлений 80° и 100°, неопределены, потому, что из-за малости амплитуд этих сигналов направления оказались замаскированными более мощными сигналами, приходящими с близких к ним направлений.

На Фиг. 3 представлен пространственный спектр после частичной компенсации двух сильных сигналов, рассчитанный с помощью модифицированного метода Кейпона

При расчете пространственного спектра использовалось значение β=0,8. В пространственном спектре хорошо просматриваются 5 пиков в направлениях 70, 80, 100, 110 и 140 градусов. При этом направления 80° и 100° соответствуют направлениям на источники слабых сигналов, которые не выявлялись при использовании существующего метода пеленгации.

Таким образом, осуществлен способ улучшения разрешающей способности корреляционных методов пеленгации путем частичной компенсации наиболее сильных сигналов в пространственном спектре.

Результаты численного моделирования показали высокую эффективность предлагаемого способа.

Литература

1. Кейпон Дж. Пространственно временной спектральный анализ с высоким разрешением. ТИИЭР, 1969, №8, с. 69-79.

2. Borgiotti G.V. and Kaplan L.J., «Super resolution of Uncorrelated Interference Sources by Using Adaptive Array Techniques», Trans. Antennas Propagation, AP-27, 842 (1979).

3. Schmidt R. Multiple emitter location and signal parameter estimation [Text] / R. Schmidt // Proc. RADC Spectrum Estimation Workshop. - 1979. - P. 243-258.

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в системах радиопеленгации для оценки направлений на источники излучения радиосигналов. Достигаемый технический результат – повышение разрешающей способности корреляционных методов пеленгации. Указанный результат достигается за счет того, что используют для расчета пространственного спектра корреляционную матрицу R=E[XX^H], где Е - оператор математического ожидания, X - вектор сигналов в каналах антенной решетки, при этом на первой стадии осуществления способа корреляционным методом пеленгации с использованием корреляционной матрицы R рассчитывают пространственный спектр мощности, проводят предварительную оценку пеленгов, выявляют направления θ_p, p=1, 2 …, P на P источников с наиболее сильными сигналами, которые могут маскировать направления на слабые источники, расположенные на близких угловых к ним расстояниях, формируют новую корреляционную матрицу, обеспечивающую частичную компенсацию сильных сигналов в пространственном спектре , на второй стадии с использованием корреляционного метода пеленгации с новой корреляционной матрицей повторно рассчитывают угловой спектр, позволяющий выявлять направления на источники слабых сигналов, замаскированных сильными сигналами от источников, расположенных на близких угловых расстояниях. 3 ил.

Способ улучшения разрешающей способности корреляционных методов пеленгации, использующих для расчета пространственного спектра корреляционную матрицу R=E[XX^H], где Е - оператор математического ожидания, X - вектор сигналов в каналах антенной решетки, отличающийся тем, что на первой стадии

- корреляционным методом пеленгации с использованием корреляционной матрицы R рассчитывается пространственный спектр мощности;

- проводится предварительная оценка пеленгов;

- выявляются направления θ_p, р=1,2…,Р на Р источников с наиболее сильными сигналами, которые могут маскировать направления на слабые источники, расположенные на близких угловых к ним расстояниях;

- формируется новая корреляционная матрица, обеспечивающая частичную компенсацию сильных сигналов в пространственном спектре

где - матрица направленности, I - единичная матрица, β=0÷1 - коэффициент, учитывающий степень компенсации сильных сигналов, А(θ_p) - вектор направленности р-го сигнала, приходящего с направления θ_p,

на второй стадии с использованием корреляционного метода пеленгации с новой корреляционной матрицей повторно рассчитывается угловой спектр, позволяющий выявлять направления на источники слабых сигналов, замаскированных сильными сигналами от источников, расположенных на близких угловых расстояниях.