СУБПОЛОСНЫЙ СПОСОБ РАДИОЛОКАЦИОННОГО ОБНАРУЖЕНИЯ МАЛОРАЗМЕРНЫХ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ Российский патент 2022 года по МПК G01S13/52 G01S13/66 

Изобретение относится к области радиолокации для обнаружения малоразмерных беспилотных летательных аппаратов (МБПЛА), основанной на реагировании некоторых частей конструкции МБПЛА на кратковременные электромагнитные воздействия в виде откликов, представляющих собой соответствующие колебательные импульсные характеристики. Анализ откликов позволяет выявить наличие МБПЛА в воздушном пространстве.

Из предшествующего уровня техники известен способ радиолокационного обнаружения воздушных объектов, обладающих способностью отражать воздействующее на них электромагнитное излучение. Способ заключается в формировании зондирующего радиосигнала, его направленном излучении с помощью антенных систем в окружающее воздушное пространство, прием падающих на антенную систему входных сигналов и их обработка с целью обнаружения на данном направлении и определенном расстоянии отразившего излученный радиосигнал объекта. Недостатком указанного способа радиолокационного обнаружения МБПЛА является недостаточно эффективное использование энергии генерируемых откликов от отдельных элементов конструкции МБПЛА, способных к реакции на электромагнитные воздействия. Заранее неизвестно какие именно элементы будут реагировать и в каком диапазоне частот. Возбуждающий фрагмент сигнала, который содержит частоты из диапазона реагирования, будет иметь малую длительность, так что реакцию элемента можно считать колебательной импульсной характеристикой. Энергия ее огибающей в основном будет сосредоточена в соответствующей элементу неизвестной заранее субполосе. Однако, в силу равенства Парсеваля скалярное произведение принимаемого отклика и зондирующего сигнала будет зависеть от энергии широкополосных шумов.

Наиболее близким к предложенному изобретению является способ резонансной радиолокации, защищенный патентом РФ №2610832, в котором применяется субполосный анализ принимаемых сигналов на основе их полосовой фильтрации. Как и в предлагаемом изобретении субполосный анализ способствует реализации основного принципа максимального использования энергии откликов на фоне шумов при обнаружении воздушных объектов. Однако, одним из основных этапов этого способа является определение сетки частотных интервалов (субполос), которые доступны для зондирования. В случае обнаружения МБПЛА с неизвестной заранее субполосой, где возникает реакция элементов конструкции, этот этап использовать невозможно. В данном способе также предполагается обнаруживать отклики от элементов конструкций летательных аппаратов достаточно больших размеров, что не соответствует конструкциям МБПЛА. Также отсутствует описание применяемого цифрового фильтра, что может означать использование известных методов цифровой фильтрации -фильтров с конечной (КИХ) или бесконечной (БИХ) импульсной характеристикой. Но это не гарантирует зависимости выходных сигналов таких фильтров только от части энергии входного в рассматриваемой субполосе. В данном случае выходные сигналы подвержены влиянию частей энергий из смежных субполос, что может привести к неверной интерпретации принимаемого решения. Очевидно, что это также приводит к уменьшению отношения сигнал/шум. В настоящее время неизвестен способ точного вычисления субполосных корреляций, так как невозможно вычислить спектры во всех точках субполос.

Задача изобретения - создание достоверного способа радиолокационного обнаружения реакций на электромагнитные воздействия отдельных элементов конструкций МБПЛА, представляющих собой колебательные импульсные характеристики, интенсивность и частота заполнения которых определяется физическими и геометрическими свойствами реагирующих элементов, а также увеличение дальности и вероятности обнаружения данных реакций.

Задача решается тем, что в предложенном способе задействованы субполосные матричные фильтры, выходные сигналы которых определяются только частями энергий входных сигналов в заданной субполосе, и вычислениями на этой основе субполосных корреляций зондирующего сигнала и откликов, соответствующих стробам дальностей, которые искажаются только частями энергий шумов, сосредоточенными в соответствующей субполосе. Так как заранее неизвестны частотные и энергетические свойства откликов, необходимо проводить зондирование широкополосными сигналами и применять субполосную обработку, позволяющую эффективно использовать энергию откликов на фоне шумов, энергия которых распределена в широком диапазоне частот. Импульсными характеристиками определяется диапазон частот, вызывающих реакцию воздействий. Для обеспечения высокой разрешающей способности по дальности необходимо использовать широкополосные зондирующие линейно-частотно модулированные (ЛЧМ) сигналы. Для повышения вероятности достоверного обнаружения откликов и отношения сигнал/шум целесообразно вычислять фрагменты корреляций в виде скалярных произведений отрезков трансформант Фурье (спектров) откликов, а также зондирующих сигналов только в достаточно узких субполосах (субполосных корреляциях). Так как МБПЛА являются малоподвижными устройствами, субполосные корреляции отрезков непрерывных спектров Фурье, откликов от них и отрезков непрерывных спектров зондирующего сигнала в одной и той же субполосе практически не будут изменяться в течении посылок некоторой пачки импульсов. Следовательно, для повышения точности оценивания субполосных корреляций спектров Фурье зондирующих и принимаемых сигналов необходимо использовать режим накопления. Решение о наличии на данном стробе дальности МБПЛА принимается в том случае, когда хотя бы в одной из субполос результат накопления субполосных корреляций превышает определенный на этапе обучения для данных стробов дальности и субполосы соответствующий порог. Обучение должно осуществляться при заведомом отсутствии откликов от МБПЛА с использованием К пачек импульсов, где К - целая часть числа 1/α, α - вероятность ложной тревоги.

Предлагаемый субполосный способ радиолокационного обнаружения МБПЛА реализуется на основе применения субполосных матричных фильтров, когда компоненты выходных векторов фильтров вычисляются в виде параллельного вычисления N скалярных произведений:

где - входной вектор дискретных отсчетов сигнала;

- элементы соответствующей субполосной матрицы которая преобразуется в следующий вид:

Полоса нормированных круговых частот обрабатываемых отрезков (векторов) дискретных отсчетов сигналов разбивается на субполосы следующего вида:

где r=0, …, R - одна из субполос;

Количество отсчетов обрабатываемых векторов согласовано с количеством субполос N=2(2R+1).

Предлагаемая субполосная фильтрация обладает следующими свойствами:

то есть компоненты выходных векторов субполосных фильтров полностью определяются отрезками трансформанты Фурье (спектрами) (6) вектора отсчетов поступающего на вход сигнала в соответствующей субполосе, а их сумма в точности равна этому сигналу:

Субполосными корреляциями называются скалярные произведения отрезков трансформант Фурье вектора отсчетов зондирующего сигнала X(v) и соответствующего некоторому стробу дальности вектора отсчетов принимаемого сигнала (8) в виде интегралов (9):

Данные интегралы численно равны скалярным произведениям:

которые вычисляются непосредственно во временной области (без вычисления трансформант Фурье), с результатами субполосной фильтрации зондирующего сигнала.

Таким образом, предлагаемый субполосный способ радиолокационного обнаружения малоразмерных беспилотных летательных аппаратов заключается в М - кратном повторении следующих этапов:

1. Формируется ЛЧМ сигнал, частотная полоса которого содержит определенные заранее в соответствии с выражениями (3) и (4) субполосы, с заранее ожидаемыми в них откликами элементов конструкции МБПЛА;

2. На основе дискретизации определяется вектор отсчетов зондирующего сигнала и параллельно вычисляются его субполосные компоненты вида (1), которые фиксируются в запоминающем устройстве;

3. Сигнал излучается с помощью антенной системы в некотором направлении воздушного пространства и после некоторой задержки во времени, и в течении интервала времени, определяемого максимальным расстоянием обнаружения МБПЛА на выходе приемника, а с помощью аналого-цифрового преобразователя регистрируются отсчеты принимаемых сигналов, которые также сохраняются в запоминающем устройстве;

4. Для каждого строба дальности и всех субполос с использованием окна длительностью N, векторов отсчетов входного сигнала и на основе выражения (10) параллельно вычисляются субполосные корреляции вида (9), которые суммируются с соответствующими предыдущими субполосными корреляциями.

Затем накопленные суммы субполосных корреляций сравниваются с определенными заранее порогами, превышение которых принимается за факт наличия на соответствующем стробе дальности МБПЛА.

Заявленное изобретение относится к области радиолокации для мониторинга воздушного пространства. Способ основан на том, что некоторые части конструкции малоразмерных беспилотных летательных аппаратов (МБПЛА) реагируют на кратковременные электромагнитные воздействия в виде откликов, представляющих собой соответствующие колебательные импульсные характеристики. Диапазон частот воздействий, вызывающих реакцию, определяется размерами реагирующего элемента. Длительность отклика обратно пропорциональна ширине субполосы частот, в которой возникает реакция. Технический результат – повышение дальности и вероятности обнаружения МБПЛА. В заявленном способе осуществляют периодическое зондирование широкополосными линейно-частотно модулированными сигналами пространства, дискретизацию зондирующих и принимаемых сигналов, разбиение их полосы частот на субполосы, ширина которых определяется по длительности зондирующего сигнала. Затем для каждого строба дальности вычисляют и накапливают точные значения субполосных корреляций излучаемого и принимаемого сигналов и сравнивают накопленные корреляции с порогами, определяемыми на этапе облучения, которое осуществляется при заведомом отсутствии в зондируемом пространстве МБПЛА. Если хотя бы одна из накопленных субполосных корреляций превышает соответствующий порог, то принимается решение о наличии на этом стробе дальности МБПЛА. Субполосные корреляции вычисляются с использованием матричных субполосных фильтров, обеспечивающих зависимость результата фильтрации только от отрезка спектра исходного сигнала в конкретной субполосе, что вместе с увеличением за счет подавления шума вне субполосы отношения сигнал/шум повышает достоверность принятия решений о наличии на стробе дальности МБПЛА. 3 з.п. ф-лы.

1. Субполосный способ радиолокационного обнаружения малоразмерных беспилотных летательных аппаратов, отличающийся тем, что М раз формируется линейно-частотно модулированный зондирующий импульс, который при помощи антенной системы излучается в пространство, дискретизируется с использованием аналого-цифрового преобразователя, и получающийся вектор отсчетов подается на сетку цифровых субполосных частотных фильтров, отличительной особенностью которых является параллельное вычисление матричных преобразований, обеспечивающих зависимость отсчетов результата фильтрации только от отрезка непрерывного спектра исходного дискретного сигнала в каждой конкретной субполосе, которые, не пересекаясь, полностью перекрывают область определения спектров Фурье дискретизированного сигнала, и имеют одинаковую ширину, определяемую размерностью вектора отсчетов, полученных для каждой субполосы, а результирующие векторы отфильтрованных отсчетов зондирующего импульса помещаются в запоминающее устройство, с помощью антенной системы принимая сигналы-отклики, которые также дискретизируются с той же частотой, что и излученный импульс, в соответствии с заданными стробами дальности в каждой из определенных заранее субполос вычисляются субполосные корреляции между результатами субполосной фильтрации зондирующего импульса и принимаемым сигналом, которые суммируются с результатом предыдущих вычислений, получаемые суммы М субполосных корреляций сравниваются с хранящимися в блоке памяти порогами, при превышении хотя бы в одной из субполос суммарной корреляцией соответствующего порога принимается решение о наличии на данном стробе дальности малоразмерного беспилотного летательного аппарата, а пороги для каждой из субполос в определенных заранее стробах дальностей определяются с помощью облучения при заведомом отсутствии малоразмерных беспилотных летательных аппаратов, на основе вычисления максимального положительного значения из К суммарных субполосных корреляций, где К обратно пропорционально заданной величине вероятности ложной тревоги.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что полоса нормированных круговых частот обрабатываемых отрезков (векторов) дискретных отсчетов сигналов разбивается на субполосы следующего вида:

где r=0, …, R - одна из субполос, а количество отсчетов обрабатываемых векторов согласовано с количеством субполос N=2(2R+1).

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что компоненты выходных векторов фильтров субполосной фильтрации вектора дискретных отсчетов зондирующего сигнала в r-субполосе вычисляются с помощью матричных фильтров, в виде параллельного вычисления N скалярных произведений:

где - элементы соответствующей субполосной матрицы которая преобразуется в следующий вид:

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что субполосные корреляции

зондирующего и принимаемого с текущего строба дальности сигналов где имеются ввиду их трансформанты Фурье (спектры)

вычисляются параллельно в виде скалярных произведений с результатами субполосной фильтрации зондирующего сигнала: