Способ пеленгации источников излучения, имеющих малое угловое расстояние Российский патент 2024 года по МПК G01S3/14 G01S3/74 G01S7/36 H04B7/04 

Предлагаемое изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в радиолокационных станциях (РЛС) с антенными решетками (АР) для получения интервальной оценки пеленга источников излучения (ИИ), имеющих малое угловое расстояние при применении методов пеленгации, основанных на анализе корреляционной матрицы сигналов (КМС) и наличии амплитудно-фазовых ошибок.

Известен способ пеленгации, основанный на анализе КМС [1] обладающий повышенной разрешающей способностью, который включает выполнение операций:

1. получение КМС R;

2. формирование пространственного спектра (ПС) с помощью алгоритма Кейпона вида:

(1)

где - вектор-гипотеза, j - мнимая единица, k - волновое число, - нормированное по отношению к длине волны межэлементное расстояние, p - вектор-столбец номеров элементов АР;

3. получение итоговой оценки пеленгов ИИ по положению максимума ПС.

Недостатком данного способа является чувствительность к наличию амплитудно-фазовых ошибок, как межканальных, так и внутриканальных, которая приводит к низкой точности и разрешающей способности.

Известен способ улучшения разрешающей способности корреляционных методов пеленгации [2], который подразумевает операции:

1. получение КМС R;

2. формирование ПС с помощью алгоритма Кейпона;

3. получение предварительной оценки пеленгов , (s=1,…,S), среди которых отбираются направления с наиболее мощными сигналами, которые могут маскировать направления на слабые источники, расположенные от них на малом угловом расстоянии;

4. формирование новой КМС , обеспечивающей частичную компенсацию мощных сигналов в пространственном спектре, вида:

(2)

где - матрица направленности, - коэффициент, учитывающий степень компенсации сильных сигналов, - единичная матрица;

5. повторный расчет ПС на основе новой КМС

6. получение итоговой оценки пеленгов ИИ .

Недостатком данного способа является тот факт, что при наличии амплитудно-фазовых ошибок положения максимумов ПС имеет случайную составляющую, а при действии нескольких близких по мощности ИИ их максимумы оказываются еще и смещенными. Новая КМС при неверно оцененных пеленгах не будет обеспечивать компенсацию требуемых сигналов, что приведет к формированию искаженного ПС и получению ошибочных пеленгов.

Известен способ пеленгации, основанный на анализе корреляционной матрицы сигналов, обладающий потенциально высокой разрешающей способностью [3], который подразумевает:

1. получение КМС R;

2. определение всех собственных чисел (СЧ) μ КМС;

3. выделение сигнальных СЧ , количество которых определяет численность действующих ИИ S;

4. вычисление на основе сигнальных СЧ сигнальных собственных векторов (СВ) ;

5. формирование матрицы проектора (МП) на шумовое подпространство вида:

(3)

6. построение ПС с помощью алгоритма MUSIC вида:

(4)

7. получение итоговой оценки пеленгов ИИ , соответствующих положениям максимумов ПС.

Данный способ был выбран в качестве прототипа, однако при наличии амплитудно-фазовых ошибок разрешающая способность и точность пеленгования снижаются и не позволяют получать оценки пеленгов ИИ, имеющих малое угловое расстояние.

Технической задачей, на решение которой направленно предлагаемое изобретение, является получение оценок пеленгов ИИ, имеющих малое угловое расстояние, в РЛС с АР.

Для решения поставленной задачи разработан способ пеленгации ИИ, имеющих малое угловое расстояние.

Разработанный способ основан на выполнении операций:

1. получение КМС R;

2. определение всех СЧ μ КМС;

3. выделение сигнальных СЧ , количество которых определяет численность действующих ИИ S;

4. вычисление на основе сигнальных СЧ сигнальных СВ ;

5. формирование МП на шумовое подпространство ;

6. построение ПС ;

7. определение числа максимумов ПС и их положения ;

8. вычисление разности между числом ИИ и максимумов ПС
;

9. выполнение итерационной процедуры получения интервальных оценок пеленга неразрешаемых ИИ:

9.1. формирование расширенной МП на шумовое подпространство согласно выражения:

(5)

где - количество сигнальных СВ, отнесенных к шумовому подпространству (сигнальные СЧ расположены в порядке возрастания);

9.2. построение ПС с использованием расширенной за счет СВ соответствующего n-му наименьшему сигнальному СЧ, МП на шумовое подпространство ;

9.3. стробирование пространственного спектра :

(6)

где - i-й угловой строб в направлении размером ;

9.4. вычисление коэффициентов линейной корреляции стробированных спектров :

(7)

где - оператор вычисления математического ожидания, - среднеквадратическое отклонение i-х стробированных ПС (при n=1 );

9.5. для i-го углового направления, соответствующего наименьшему коэффициенту корреляции , получение интервальной оценки пеленга ИИ:

(8)

где - ширина стробированного ПС, содержащего i-й максимум, по уровню -3 дБ;

9.6. выполнение итерационной процедуры для n≤;

10. оценка пеленга для угловых направлений, соответствующих разрешенным ИИ, равна точечной оценке положений максимумов ПС , т.е. ;

Оценка эффективности и пояснение операций выполняемых для достижения поставленной цели приведены на фиг. 1-5.

Для моделирования была выбрана однородная линейная антенная решетка из 10 элементов с диаграммой направленности , где k=2π, p=1…10, - величина нормально распределенной ошибки, с и нулевым математическим ожиданием. В качестве модели электромагнитного поля использовалась сумма шести плоских электромагнитных волн, образованных сигналами типа «белый шум» равных между собой по мощности, отношение сигнал/шум =30 дБ. Направления прихода сигналов приведены на фиг. 1.

На фиг. 2 представлен ПС, сформированный на основе исходной МП на шумовое подпространство и рассчитанный в соответствии с исходными данными таблицы 1 (фиг. 1). Видно, что определены три направления -10,2°, 4,95°, 18,2°, при этом количество сигнальных СЧ равно шести. Это означает, что еще три ИИ неразрешаются и «замаскированы» среди этих максимумов.

На фиг. 3 приведены стробированные ПС, сформированные на основе исходной МП и МП расширенной за счет СВ, соответствующего наименьшему СЧ. Сравнение коэффициентов линейной корреляции стробов показывает, что наибольшее изменение ПС при расширении МП на шумовое подпространство получил строб с пеленгом 4,95°. Это означает, что один из неразрешенных ИИ, соответствующий наименьшему СЧ, находится на данном пеленге, а данное направление содержит более одного ИИ.

На фиг. 4 представлены результаты выполнения второй итерации Способа, а именно получения коэффициента корреляции стробированных ПС, сформированных на основе МП расширенной за счет СВ, соответствующего наименьшему СЧ и МП расширенной за счет СВ, соответствующего вторму по порядку СЧ. Наименьший коэффициент корреляции стробированных ПС на азимуте 18,2°. В таком случае второй неразрешенный ИИ находится на данном направлении.

На фиг. 5 представлены результаты выполнения третьей итерации, показывающей, что пеленг третьего неразрешенного ИИ соответствует направлению 4.95°.

Исходя из этого, трем ИИ соответствует интервальная оценка пеленга 4,95±0,5°, двум ИИ 18,2±0,5°, а одному ИИ точечная оценка -10,2°.

Таким образом, применение разработанного способа пеленгации ИИ, имеющих малое угловое расстояние позволило получить оценки пеленгов ИИ, в том числе неразрешаемых по угловой координате.

Результаты численного моделирования показали высокую эффективность предлагаемого способа.

Проведенный сравнительный анализ заявленного способа и прототипа показал, что заявленный способ отличается тем, что выполняется дополнительная итерационная процедура получения интервальных оценок пеленга неразрешаемых ИИ путем формирования расширенной МП на шумовое подпространство , построении ПС с использованием расширенной, за счет СВ, соответствующего n-му наименьшему сигнальному СЧ, МП на шумовое подпространство , стробировании ПС , вычисление коэффициентов линейной корреляции стробированных спектров где i-му стробу с наименьшим коэффициентом корреляции соответствует неразрешаемый ИИ, пеленг которого определяется положением максимума ПС в i-м стробе с интервалом равным ширине стробированного ПС по уровню -3 дБ, содержащего i-й максимум.

Техническим результатом является получение оценок пеленгов ИИ, имеющих малое угловое рассогласование в РЛС с АР.

Таким образом, заявляемое изобретение не известно из уровня техники, а также отсутствуют источники, в которых были бы представлены способы, имеющие признаки, сходные с признаками, отличающими заявляемое изобретение от способов-прототипов, а также свойства, совпадающие со свойствами заявляемого изобретения, в связи с чем можно считать, что оно обладает существенными отличиями.

Изобретение иллюстрируется следующими чертежами:

Фиг. 1 - таблица 1 направления прихода сигналов;

Фиг. 2 - пространственный спектр, сформированный на основе исходной МП на шумовое подпространство;

Фиг. 3 - стробированные пространственные спектры, сформированные на основе исходной МП и МП расширенной за счет СВ, соответствующего наименьшему СЧ (1-я итерация);

Фиг. 4 - стробированные пространственные спектры, сформированные на основе МП расширенной за счет СВ, соответствующего наименьшему СЧ и МП расширенной за счет СВ, соответствующего второго по порядку СЧ (2-я итерация);

Фиг. 5 - стробированные пространственные спектры, сформированные на основе МП расширенной за счет СВ, соответствующего второго по порядку СЧ и МП расширенной за счет СВ, соответствующего третьего по порядку СЧ (3-я итерация);

ЛИТЕРАТУРА

1. Адаптация и сверхразрешение в антенных решетках [Текст]/ Ратынский М.В. - М.: Радио и связь, 2004.

2. Способ улучшения разрешающей способности корреляционных методов пеленгации RU 2684275 C1, 2018.

3. Digital beamforming radar system and method with super-resolution multiple jammer location US 2003/0085832 A1.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в радиолокационных станциях (РЛС) с антенными решетками (АР) для получения интервальной оценки углового положения источников излучения (ИИ), имеющих малое угловое расстояние, при применении методов пеленгации, основанных на анализе корреляционной матрицы сигналов и наличии амплитудно-фазовых ошибок. Техническим результатом является получение оценок пеленгов ИИ, имеющих малое угловое рассогласование в РЛС с АР. Заявленный способ заключается в выполнении итерационной процедуры получения интервальных оценок пеленга неразрешаемых ИИ, в процессе которой осуществляют формирование расширенной матрицы проектора (МП) на шумовое подпространство, построение на ее основе пространственного спектра (ПС) и вычисление коэффициентов линейной корреляции стробированных ПС при разном расширении МП на шумовое подпространство. Затем получают интервальную оценку пеленга неразрешаемого ИИ в угловом стробе с наименьшим коэффициентом корреляции, равную положению максимума пространственного спектра в этом стробе с интервалом, равным ширине стробированного ПС по уровню -3 дБ, содержащего замаскированный ИИ. 5 ил.

Способ пеленгации источников излучения (ИИ), имеющих малое угловое расстояние, в радиолокационных станциях (РЛС) с антенными решетками (АР), заключающийся в получении корреляционной матрицы сигналов (КМС) с элементов АР РЛС, определении всех собственных чисел (СЧ) КМС , выделении сигнальных СЧ , вычислении на основе сигнальных СЧ сигнальных собственных векторов (СВ) , формировании матрицы проектора (МП) на шумовое подпространство вида:

где Е – единичная матрица, S – количество сигнальных СЧ, построении пространственного спектра (ПС) в соответствии с алгоритмом MUSIC вида:

где – вектор-гипотеза, j – мнимая единица, k – волновое число, – нормированное по отношению к длине волны межэлементное расстояние, p – вектор-столбец номеров элементов АР, определении числа максимумов ПС , а также их положения , отличающийся тем, что выполняется итерационная процедура получения интервальных оценок пеленга неразрешаемых ИИ путем формирования расширенной МП на шумовое подпространство согласно выражению:

где – количество сигнальных СВ, отнесенных к шумовому подпространству, причем сигнальные СЧ расположены в порядке возрастания, – разность между числом ИИ и максимумов ПС , соответствующая числу неразрешаемых ИИ, построения ПС с использованием расширенной, за счет СВ, соответствующего n-му наименьшему сигнальному СЧ, МП на шумовое подпространство , стробирования ПС :

где – i-й угловой строб в направлении размером , вычисления коэффициентов линейной корреляции стробированных спектров , где i-му стробу с наименьшим коэффициентом корреляции соответствует неразрешаемый ИИ, пеленг которого определяется положением максимума ПС в i-м стробе с интервалом , равным ширине стробированного ПС по уровню -3 дБ, содержащего i-й максимум, получения на второй итерации процедуры коэффициентов корреляции стробированных ПС, сформированных на основе МП, расширенной за счет СВ, соответствующего второму по порядку наименьшему СЧ, выполнение итерационной процедуры осуществляют для всех , а за оценку пеленга для угловых направлений, соответствующих разрешенным ИИ, принимают точечную оценку положений максимумов ПС .