Способ повышения точности пеленгования источников радиоизлучения обнаружителем-пеленгатором с многошкальной антенной системой Российский патент 2020 года по МПК G01S3/14 

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в многоканальных моноимпульсных обнаружителях-пеленгаторах (ОП) систем радиомониторинга для решения задач пеленгования источников радиоизлучения (ИРИ).

Повышение эффективности и точности определения азимутальных и угломестных пеленгов на источник сигналов достигается за счет учета взаимных корреляционных связей между пространственно-амплитудно-фазовым распределением спектральных плотностей в переделах полосы частот. При многократном приеме радиосигналов применяется накопление временных реализаций спектральных отсчетов по каждому сигналу, что позволяет обеспечить повышение показателей эффективности пеленгования за счет повышения выходного отношения сигнал/шум и различения на фоне шумов широкополосных псевдослучайных сигналов с малой спектральной плотностью мощности. Решающая функция пеленгования справедлива в случае антенной системы (АС) с произвольной структурой и характеристиками направленности антенных элементов (АЭ), а также адаптивна к взаимным влияниям антенных элементов друг на друга, что позволяет использовать предлагаемый способ в реальных условиях функционирования обнаружителя-пеленгатора.

Известен способ пеленгации радиосигналов [1], заключающийся в следующем:

1. Прием радиосигналов антенной решеткой (АР), состоящей из N элементов (N>2), расположенных в плоскости пеленгования; в качестве элементов антенной решетки используют идентичные ненаправленные антенны.

2. Преобразование сигналов (в том числе и опорного сигнала) многоканальным приемником с общим гетеродином для всех каналов. Преобразование сигналов многоканальным приемником производят последовательно во времени от пары элементов, при этом в качестве опорного сигнала используют сигнал от одного элемента, не входящего в эту пару. Последовательно во времени производят преобразование сигналов от следующих пар элементов, при этом в качестве опорного сигнала используют сигнал от одного элемента, не входящего в следующую пару. Указанным образом преобразуют сигналы со всех возможных пар элементов антенной решетки, в количестве образующихся для N элементной антенной решетки P групп пар, причем в каждой группе пары преобразование сигналов производят с элементов, расстояние между которыми одинаковое.

3. Получение спектральных характеристик сигналов каждого канала путем попарного измерения на совпадающих интервалах времени комплексных спектров сигналов каждого канала и их разделение на выбранные частотные поддиапазоны.

4. Сравнение комплексных спектральных характеристик сигналов в каждом частотном поддиапазоне путем запоминания P групп пар спектров сигналов.

5. Определение свертки комплексно сопряженных спектров для каждого частотного диапазона. При этом выполняется дополнительное определение свертки комплексно сопряженных амплитуд сигнала для P пар сигналов, получаются комплексные амплитуды P пар сигналов. Комплексные амплитуды сигналов для каждого канала и частотного поддиапазона получают с помощью преобразования Фурье по всем каналам.

6. Выполняются двумерные преобразования Фурье по всем комплексным амплитудам пар сигналов для каждой из P групп, получаются составляющие двумерного углового спектра, по которым формируют двумерный угловой спектр, соответствующий радиосигналу для выбранного частотного поддиапазона.

7. Путем перемножения P составляющих определяют максимум модуля двумерного углового спектра. По значению аргумента максимума модуля углового спектра определяют значение пеленга.

Недостатки данного способа заключаются в следующем:

– для реализации данного способа пеленгования применяется N- элементная антенная решетка и многоканальное радиоприемное устройство, которое последовательно по времени принимает сигналы с каждой пары антенных элементов. Расстояние между антенными элементами должно быть одинаковое, что накладывает жесткие требования на конфигурацию антенной решетки;

– способ не предполагает выполнение процедуры накопления временных реализаций по каждой спектральной компоненте, что не позволяет за счет увеличения объема информации повысить эффективность процедуры пеленгования ИРИ.

Известен способ определения оценки направления на источник радиоизлучения [2], предполагающий вычисление взаимного спектра спектральных компонент сигнала для всех возможных комбинаций пар антенн. Данный способ предполагает следующее:

1. Синхронный (когерентный) прием временных реализаций с выходов всех N (где N>2) элементов антенной системы в пространственных каналах обнаружителя-пеленгатора, одновременно попадающих в текущую полосу приема (анализа).

2. Когерентный перенос (гетеродинирование) на более низкую частоту и синхронное преобразование временных реализаций в цифровую форму.

3. Вычисление отсчетов преобразования Фурье оцифрованной реализации в каждом пространственном канале обнаружителя-пеленгатора. По каждому спектральному отчету быстрого преобразования Фурье временных реализаций вычисляют канальные амплитуды и энергии.

4. Формирование решающей функции – оценка комплексной амплитуды сигналов.

5. Максимизация квадрата модуля комплексного углового спектра по возможным углам прихода волны в горизонтальных и вертикальных плоскостях.

6. Оценка направления прихода и угла места источника радиоизлучения.

Недостатки данного способа заключаются в следующем:

– решающая функция аналога получена для случая приема одной временной реализации. Выполнение независимого пеленгования по спектральным отсчетам каждой принимаемой реализации обеспечивает снижение показателей эффективности пеленгования по сравнению со случаем, когда в целях повышения отношения сигнал/шум выполняется накопление энергий по каждому спектральному отсчету;

– решающая функция аналога справедлива, когда антенны обнаружителя-пеленгатора являются идентичными и ненаправленными, а их диаграммы направленности имеют единичную амплитуду, не зависящую от направления прихода радиоволны ИРИ. В общем случае при наличии взаимных влияний в антенной системе обнаружителя-пеленгатора, а также в случае использования антенных элементов другого типа решающая функция становится несправедливой, что приводит к ухудшению показателей эффективности аналога.

Наиболее близким к предлагаемому является способ пеленгования источников радиоизлучения корреляционным интерферометром с двумя каналами приема [3], принятый далее в качестве прототипа и предполагающий выполнение следующих действий:

1. Получение синхронных во времени выборок пеленгуемого радиосигнала, принимаемого двумя антенными элементами.

2. Отображение полученных выборок сигнала из временной области в частотную (выполнение над полученными выборками преобразования Фурье).

3. Вычисление комплексных сверток между спектральными составляющими с одинаковыми номерами для пары антенных элементов и получение интерференционного вектора пары сигналов по формуле:

$${\dot{A}}_{n_1,n_2}={\displaystyle \sum _i{\dot{S}}_c\left(k,i,n_1\right){\dot{S}}_o{}^{\ast }\left(k,i,n_2\right)}$$ ,

где $${\dot{S}}_c\left(k,i,n_1\right)$$ – комплексные отсчеты спектра сигнала сигнального тракта,

$${\dot{S}}_o\left(k,i,n_2\right)$$ – комплексные отсчеты спектра сигнала опорного тракта,

k – номер радиоканала, 1 ≤ k ≤ k_max,

i – номер отсчета спектра в канале, i = 0, 1, K, q-1,

n₁, n₂ – номера элементов АР, n₁ ≠ n₂.

4. Повторение пунктов 1-3 для всех пеленгационных пар.

5. Вычисление парциальных диаграмм направленности $${\dot{D}}_p\left(\theta ,\beta \right)$$ всех пеленгационных пар, формируемых путем последовательного перемножения измеренного интерференционного вектора на вектор опорного (теоретического) пространственного сигнала, варьируемого по пространственным угловым координатам.

Для эквидистантной кольцевой антенной решетки (ЭКАР) парциальные диаграммы направленности имеют вид:

$${\dot{D}}_p\left(\theta ,\beta \right)={\dot{A}}_{n_1,n_2}\cdot \exp \left\{-\frac{2\pi R}{\lambda }\left(\cos \left(\theta -{\alpha }_{n_1}\right)\sin \beta -\cos \left(\theta -{\alpha }_{n_2}\right)\sin \beta \right)\right\}$$ ,

где R – радиус кольца,

λ – длина принимаемой волны,

α_n – угол расположение n-го элемента АР, отсчитываемый против часовой стрелки от оси х,

θ, β – варьируемые угловые координаты.

6. Синтез диаграмм направленности антенной решетки по формуле:

$${\dot{D}}_A\left(\theta ,\beta \right)={\displaystyle \sum _p{\dot{D}}_p\left(\theta ,\beta \right)}$$ .

7. Вычисление пеленга на источник как аргумент максимума синтезированной диаграммы направленности $${\dot{D}}_A\left(\theta ,\beta \right)$$.

Недостатки данного способа заключаются в следующем:

- при приеме сигнала не учитывается, что для каждой коммутационной пары каналов различны реализации шума и комплексные амплитуды сигналов;

- представленный в прототипе метод пеленгования не предполагает выполнение процедуры накопления временных реализаций по каждой спектральной компоненте, что не позволяет за счет увеличения объема накопления информации повысить эффективность процедуры пеленгования ИРИ.

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является повышение эффективности пеленгования источников радиоизлучения.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении способа – повышение точности пеленгования ИРИ обнаружителем-пеленгатором с многошкальной антенной системой.

Технический результат достигается за счет того, что в способе пеленгования источников радиоизлучения обнаружителем-пеленгатором с многошкальной антенной системой каждый сигнал представляет собой совокупность спектральных отсчетов преобразование Фурье временных реализаций. Каждая временная реализация это комплексная амплитуда временных реализаций в элементарном частотном канале (ЭЧК). Ширина полосы ЭЧК обратно пропорциональна длительности временной реализации, характеризующаяся частотной близостью и информацией о направлении прихода сигнала каждой компоненты. Сигнальная составляющая каждого спектрального отсчета характеризует распределение амплитуды и фазы поля радиоволны ИРИ по раскрыву антенны обнаружителя-пеленгатора. Компоненты помеховой и шумовых составляющих в пространственно разнесенных пунктах приема имеют случайные амплитуды и фазы, не обусловленные падением некоторой радиоволны.

Использование накопления временных реализаций спектральных отсчетов сигнала по каждому сигналу позволяет обеспечить повышение эффективности способа за счет повышения выходного отношения сигнал/шум.

Применение разработанного максимально правдоподобного алгоритма пеленгования ИРИ в специальном программном обеспечении подсистем радиоразведки и радиомониторинга позволит повысить показатели эффективности обработки результатов разведки за счет использования более полной информации о сигнале.

Предлагаемый способ повышения точности пеленгования источников радиоизлучения обнаружителя-пеленгатора многошкальной антенной системой предполагает выполнение следующих процедур.

1. Многократное последовательное по времени получение синхронных выборок пеленгуемого радиосигнала, принимаемого двумя антенными элементами – пеленгационной парой.

2. Отображение полученных выборок сигнала из временной области в частотную (выполнение преобразования Фурье).

3. Вычисление матрицы $${\dot{Q}}^{\left(p\right)}$$ взаимных энергий, накопленной по серии из R > 1 измерений для ПП:

, (1)

где $${\dot{U}}_r^{\left(p\right)}$$ – двухмерный вектор наблюдаемых данных, элементами которого являются комплексные амплитуды напряжений на выходе n₁, n₂ элементах АР, $$n_1\ne n_2$$, сформированные по всем измерениям серии:

$${\dot{U}}_r^{\left(n\right)}=\left(\begin{array}{c}{\dot{S}}_c\left(k,i,n_1\right)\\ {\dot{S}}_0\left(k,i,n_2\right)\end{array}\right)\cdot$$

$${\dot{S}}_c\left(k,i,n_1\right)$$ – комплексные отсчеты спектра сигнала сигнального тракта,

$${\dot{S}}_o\left(k,i,n_2\right)$$ – комплексные отсчеты спектра сигнала опорного тракта,

k – номер радиоканала, 1 ≤ k ≤ k_max,

i – номер отсчета спектра в канале, i = 0, 1, K, q-1,

n₁, n₂ – номера элементов АР, n₁ ≠ n₂.

4. Повторение шагов 1-3 для всех p пеленгационных пар (ПП).

5. Вычисление парциальных ДН $${\dot{D}}_p\left(\theta ,\beta \right)$$ всех ПП:

$$D_p=\frac{{\dot{H}}^{\left(p\right)}{\left(\theta ,\beta \right)}^{\text{H}}{\dot{K}}_p^{-1}{\dot{Q}}^{\left(p\right)}{\dot{K}}_p^{-1}{\dot{H}}^{\left(p\right)}\left(\theta ,\beta \right)}{{\dot{H}}^{\left(n\right)}{\left(\theta ,\beta \right)}^{\text{H}}{\dot{K}}_p^{-1}{\dot{H}}^{\left(p\right)}\left(\theta ,\beta \right)}$$ ,

где $${\dot{H}}^{\left(p\right)}\left(\theta ,\beta \right)$$ – двухмерный комплексный вектор, элементы которого являются коэффициентами пропорциональности между амплитудой $${\dot{E}}_r^{\left(q\right)}$$ напряженности поля пеленгуемой волны в энергетическом центре АС и напряжением на ее нагрузке,

$${\dot{K}}_p^{-1}$$ – обратная матрица ковариации шума в приемных каналах р-й пеленгационной пары.

Для эквидистантной кольцевой антенной решетки (ЭКАР) радиуса R при длине радиоволны λ вектор $${\dot{H}}^{\left(p\right)}\left(\theta ,\beta \right)$$ представим следующим образом:

$${\dot{H}}^{\left(p\right)}\left(\theta ,\beta \right)=\left(\begin{array}{c}\exp \left\{\frac{2\pi R}{\lambda }\left(\cos \left(\theta -{\alpha }_{n_1}\right)\sin \beta \right)\right\}\\ \exp \left\{\frac{2\pi R}{\lambda }\left(\cos \left(\theta -{\alpha }_{n_2}\right)\sin \beta \right)\right\}\end{array}\right)$$ .

6. Синтез диаграмм направленности антенных решеток по формуле:

$$M\left(\theta ,\beta \right)={\displaystyle \sum _p{\dot{D}}_p\left(\theta ,\beta \right)}$$ .

7. Вычисление пеленга на источник как аргумента максимума синтезированной диаграммы направленности $$M\left(\theta ,\beta \right)$$.

Предлагаемый способ повышения точности пеленгования источников радиоизлучения обнаружителем-пеленгатором с многошкальной антенной системой лишен перечисленных выше недостатков прототипа, а именно:

- при формировании решающей функции пеленгования учитывается, что для каждой пеленгационной пары каналов реализации шума различны и различны комплексные амплитуды принимаемых сигналов;

- способ предполагает выполнение процедуры накопления временных реализаций по каждой спектральной компоненте, это позволяет за счет накопления информации о направлении прихода радиоволны по спектральным компонентам сигнала одного и того же ИРИ повысить эффективность процедуры пеленгования ИРИ.

На фиг. 1 приведена структурная схема устройства, реализующего предложенный способ:

1 – последовательное соединение антенной решетки с коммутатором;

2 – антенный коммутатор;

3 – двухканальный когерентный приемник (3.1 – первый приемник, 3.2 – второй приемник);

4 – блок аналогово-цифровой обработки сигналов (4.1 – первый аналогово-цифровой преобразователь, 4.2 – второй аналогово-цифровой преобразователь, 4.3 – блок цифровой обработки сигналов);

5 – электронная вычислительная машина.

Двухканальный когерентный приемник 3 имеет два входа: первый сигнальный, а второй – опорный. Антенный коммутатор 2 последовательно подключает к входам двухканального приемника пары элементов антенной решетки, выбираемые согласно алгоритму пеленгования. Основные функции двухканального приемника: преобразование частоты принимаемого радиосигнала и первичная фильтрация по побочным каналам приема, то есть функция подготовки принятого радиосигнала к преобразованию в цифровой вид. В блоке аналого-цифровой обработки 4 выполняется основные вычислительные операции по алгоритму цифровой обработки. ЭВМ выполняет управляющие функции, а также осуществляет отображение результатов.

Устройство работает следующим образом.

Суперпозиция радиосигналов от различных источников радиоизлучения принимается элементами АР 1 и поступают на вход коммутатора, который пропускает на два входа приемника 3 сигналы с выбранной пары АЭ. С пары выходов приемника сигналы промежуточной частоты поступают на входы АЦП, где они синхронно преобразуются в цифровые сигналы, в блоке аналого-цифровой обработки сигналов 4, используя дискретное преобразование Фурье для каждого сигнала из каждой пеленгационной пары, получают комплексные сигнальные отсчеты спектра сигнального и опорного тракта, формируется матрица взаимных энергий, синтезируется парциальная диаграмма направленности. По совокупности всех пеленгационных пар формируется пеленгационный рельеф, по аргументу максимума которого определяется оценка направления прихода (пеленг) сигнала.

Способ приема с двухканальным радиоприемным трактом применим в ряде практических случаев (например, в целях снижения массо-габаритных характеристик аппаратуры). Предлагаемый способ, не меняя последовательности выполнения действий и их функционального предназначения, позволяют повысить эффективность пеленгование ИРИ за счет корректных постановок задач пеленгования и использования правильной статистический оптимальной решающей статистики – двумерного углового спектра, а именно:

- накопление спектральных компонент, позволяющее повысить точность и достоверность пеленгования;

-  адаптивность алгоритма к неизвестной интенсивности шума;

- справедливость решающей функции пеленгования в случае АС с произвольной структурой и характеристиками направленности антенных элементов;

- статистически оптимальное выражение для углового спектра (как парциального, так и суммарного);

- решающая функция пеленгования, позволяющая использовать предлагаемый способ в реальных условиях функционирования ОП, когда имеют место взаимные влияния антенн друг на друга.

РЕАЛИЗАЦИЯ

Статистическое моделирование показателей эффективности способа повышения точности пеленгования источников радиоизлучения обнаружителем-пеленгатором с многошкальной антенной системой проведено в пакете для математического моделирования Matlab. На фиг. 2, 3 представлены результаты статистического моделирования (измеренные пеленги и их гистограммы) для пеленгования радиоволн с помощью обнаружителя-пеленгатора с семиэлементной ЭКАР. В качестве участвующих в пеленговании пар использовались соседние антенные элементы антенной решетки.

Моделировалось падение плоской волны в азимутальном направлении 180 градусов при отношении радиуса ЭКАР к длине волны, равное 1,4, отношение сигнал/шум равно 12 дБ. При статистическом моделировании число статистических испытаний выбиралось равным 10⁸, количество накоплений взаимных спектров сигналов полагалось равным 3. Аддитивный шум предполагался гауссовским с одинаковой интенсивностью в каналах обнаружителя-пеленгатора. На фиг. 2а представлен результат пеленгования в соответствии с предлагаемым способом, а на фиг. 2б – в соответствии с прототипом.

На фиг. 3 представлена зависимость средней квадратической ошибки (СКО) пеленгования от отношения радиуса ЭКАР к длине волны. Сплошная линия соответствует результатам пеленгования предлагаемого способа, пунктирная линия – способа-прототипа.

Результаты моделирования подтвердили, что предлагаемый способ повышения точности пеленгования обнаружителем-пеленгатором с многошкальной антенной системой обеспечивает повышение эффективности пеленгования (снижение вероятности аномальной и дисперсии нормально ошибок пеленгования).

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Патент РФ на изобретение № 2144200 «Способ пеленгации радиосигналов и многоканальный пеленгатор» / Ашихмин А.В., Виноградов А.Д., Кондращенко В.Н., Рембовский А.М.,1999.

2. Радзиевский В.Г., Уфаев В.А. Первичная обработка сигналов в цифровых панорамных обнаружителях-пеленгаторах. – Радиотехника, 2003, № 7, с. 26 – 31.

3. Рембовский А.М., Ашихмин А.В., Козьмин В.А. Радиомониторинг: задачи, методы, средства / Под редакцией А.М. Рембовского. М.: горячая линия-Телеком, 2006 – 492 с.

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в многоканальных моноимпульсных обнаружителях-пеленгаторах систем радиомониторинга для решения задач пеленгования источников радиоизлучения. Техническим результатом является повышение эффективности и точности определения азимутальных и угломестных пеленгов на источник сигналов за счет учета взаимных корреляционных связей между пространственно-амплитудно-фазовым распределением спектральных плотностей в переделах полосы частот. Для этого при многократном приеме радиосигналов применяется накопление временных реализаций спектральных отсчетов сигнала по каждому сигналу, что позволяет обеспечить повышение показателей эффективности пеленгования за счет повышения выходного отношения сигнал/шум. При этом решающая функция пеленгования справедлива в случае антенной системы с произвольной структурой и характеристиками направленности антенных элементов, а также адаптивна к взаимным влияниям антенных элементов друг на друга, что позволяет использовать предлагаемый способ в реальных условиях функционирования обнаружителя-пеленгатора. 3 ил.

Способ повышения точности пеленгования источников радиоизлучения обнаружителем-пеленгатором с многошкальной антенной системой, включающий получение синхронных во времени выборок пеленгуемого радиосигнала, принимаемого двумя антенными элементами - пеленгационной парой многоэлементной антенной решетки, отображение полученных выборок сигнала из временной области в частотную - выполнение над полученными выборками преобразования Фурье, вычисление парциальных диаграмм направленности для каждой пеленгационной пары, синтез диаграмм направленности антенной решетки как суммы парциальных диаграмм направленности, вычисление оценки направления на источник как аргумента максимума синтезированной диаграммы направленности антенной решетки, отличающийся тем, что получают синхронные во времени выборки пеленгуемого радиосигнала, принимаемого пеленгационной парой, производят многократно последовательно во времени, вычисляют парциальные диаграммы направленности как отношение двух произведений: произведение матриц эрмитово сопряженного двухмерного комплексного вектора, обратной матрицы ковариации шума в приемных каналах, матрицы накопленной взаимной энергии, обратной матрицы ковариации шума в приемных каналах, двухмерного комплексного вектора и произведение матриц эрмитово сопряженного двухмерного комплексного вектора, обратной матрицы ковариации шума в приемных каналах, двухмерного комплексного вектора.