СПОСОБ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ В СИСТЕМЕ РАДИОПРИЁМНИКОВ Российский патент 2024 года по МПК G01S3/46 G01S7/292 G01S13/89 

Изобретение относится к многопозиционным полуактивным системам пеленгации движущихся воздушных объектов [1] с обработкой радиосигналов в режиме однопериодного зондирования. Приемопередающая станция излучает гармонический сигнал на малом промежутке времени, а вспомогательные приемники, удаленные от передатчика, синхронизированные с ним по времени и взаимно ориентированные в пространстве, принимают и обрабатывают отраженный сигнал от нескольких движущихся объектов. Через определенное время зондирующий сигнал повторяется. Такой режим работы приемопередающей станции обеспечивает ее скрытность.

Задача заключается в обнаружении всех объектов, определении их угловых координат и векторов скорости в одном периоде зондирования на основе частотно-временной обработки в системе приемников. Временная обработка позволяет обнаруживать объекты, отличающиеся по времени прихода отраженных сигналов. Частотная обработка в спектре доплеровских частот позволяет обнаруживать объекты, отличающиеся проекциями векторов скорости на направления визирования приемников.

Известен способ [2] обнаружения объектов с помощь временной обработки сигналов. Однако он ограничен случаем наличия одного объекта в элементе разрешения дальности при обработке сигналов в последовательности элементов дальности. Известен также способ [3] обнаружения объектов с помощь частотно-временной обработки сигналов. Однако временная обработка в [3] сводится только к обнаружению моментов времени прихода сигналов от объектов при обработке сигналов в разных элементах дальности.

Повышение эффективности обнаружения движущихся объектов и оценивания их угловых координат достигается за счет позиционирования нескольких приемников. Известен способ повышения разрешения по доплеровской частоте [4] в системе нескольких приемников. Однако, если несколько объектовдвижутся с близкими векторами скорости, то данный способ затрудняет их разрешение по доплеровской частоте.

Рассмотрим способ [4] в качестве прототипа. Он сводится к следующему.

1. Приемопередающая станция излучает зондирующий гармонический сигнал в заданном угловом направлении, затем эта же станция и два вспомогательных приемника, расположенные определенным образом относительно нее, принимают отраженный сигнал от нескольких движущихся объектов.

2. Во всех приемниках сигналы, принятые в элементах антенной решетки, преобразуют в нескольких приемных каналах во временные последовательности и далее переводят временные последовательности в частотные последовательности в полосе доплеровских частот.

3. Обнаруживают в полосе доплеровских частот спектральные составляющие, амплитуды которых превышают заданный порог во всех каналах, и методом разности фаз определяют оценки угловых координат объектов. На основе оценок угловых координат вычисляют координаты ортов векторов направлений на объекты и запоминают соответствующие этим ортам доплеровские частоты.

4. Орты векторов направлений на объекты распределяют по критерию сопряжения векторов в группы по принадлежности одним и тем же объектам и считают такие объекты обнаруженными. Координаты каждой группы ортов помещают в матрицу. На основе данной матрицы и запомненных доплеровских частот находят оценки координат векторов скорости обнаруженных объектов из решения системы уравнений.

5. Все операции повторяют для последующих периодов зондирования. Данный способ обладает следующими недостатками.

1. Обнаружение объектов повторяется многократно в последовательности периодов зондирования, что увеличивает время зондирования сигналов и делает приемопередающую станцию уязвимой.

2. Обнаружение объектов с определением их угловых координат осуществляется с помощь частотной обработки в спектре доплеровских частот, чтоне позволяет обнаружить все объекты с одинаковыми векторами скорости и соответственно одинаковым доплеровским сдвигом частоты.

Техническое решение направлено на устранение этих недостатков, а именно, на выполнение операций обнаружения и определения угловых координат объектов в одном периоде зондирования, а также обнаружение объектов с одинаковыми векторами скорости и определение их угловых координат за счет частотно-временной обработки принимаемых сигналов.

Технический результат предлагаемого технического решения достигается применением способа обработки сигналов в системе радиоприемников, который заключается в излучении приемопередающей станцией зондирующего гармонического сигнала в заданном угловом направлении и приеме отраженного сигнала от движущихся объектов в приемопередающей станции и нескольких удаленных от нее приемниках, взаимно ориентированных и синхронизированных по времени с приемопередающей станцией, преобразовании сигнала в нескольких приемных каналах приемников во временные последовательности и затем в частотные последовательности в полосе доплеровских частот, выделении и запоминании частот, на которых спектральные составляющие по амплитуде превышают заданный порог во всех каналах, определении угловых координат объектов методом разности фаз найденных спектральных составляющих, вычислении на основе угловых координат ортов векторов направлений на объекты, распределении этих ортов по критерию сопряжения в группы по принадлежности одним и тем же объектам, которые считаются обнаруженными, вычислении векторов скорости обнаруженных объектов на основе групп ортов векторов направлений на объекты и запомненных доплеровских частот, отличающийся тем, что обработку сигналов производят в одном периоде зондирования приемопередающей станции, при этом временные последовательности подвергают операциям фильтрации с экстраполяцией и обнаруживают первый момент времени несоответствия экстраполированных значений сигналов элементам временных последовательностей, начиная с этого момента подсчитывают число полупериодовфильтрованных временных последовательностей в приемных каналах и на их основе определяют оценку частоты сигнала от первого объекта, которую запоминают, затем с помощью фильтра Калмана находят оценки амплитуд и фаз сигналов в каналах и методов разности фаз определяют угловые координаты первого объекта, после чего при обнаружении второго момента времени несоответствия экстраполированных значений сигналов элементам временных последовательностей из фильтрованных последовательностей входного сигнала в каналах вычитают экстраполированные значения сигналов от первого объекта по истечении времени переходного процесса и получают оценки сигналов от второго объекта, повторяют операции нахождения амплитуд и фаз сигналов от второго объекта и методов разности фаз определяют его угловые координаты, затем повторяют операции для обнаружения третьего и других объектов до окончания периода зондирования, после чего сравнивают число объектов, найденных во временных последовательностях, с числом объектов, найденных в частотных последовательностях, и, если число объектов, найденных во временных последовательностях, больше числа объектов, найденных в частотных последовательностях, то принимают оценки угловых координат, найденных во временных последовательностях, вычисляют орты векторов направлений на объекты на основе этих оценок, распределяют эти орты по критерию сопряжения в группы по принадлежности одним и тем же объектам и вычисляют для каждой группы ортов векторов направлений и запомненных частот векторы скорости объектов, в противном случае берут оценки угловых координат и векторов скорости объектов, обнаруженных в частотных последовательностях.

Расчетная часть

Обработка сигналов во временных последовательностях сводится к следующим операциям.

1. В q-x приемных каналах приемников - число каналов)

принимаемый гармонический сигнал преобразуется во временные последовательности На начальном промежутке времени предшествующем моменту времени τ₁ появления сигнала от первого объекта, действует дискретный белый шум с нулевым средним и дисперсией Последовательности входных сигналов подают на вход одноступенчатого экспоненциального фильтра нулевого порядка, который оценивает среднее значение шумового сигнала, и по факту превышения сигналом порога, устанавливаемого с учетом обнаруживают момент времени τ₁, появления сигналов от первого объекта в Q каналах.

2. После принятия решения о наличии сигналов от первого объекта, начиная с момента τ₁, включается в работу трехступенчатый экспоненциальный фильтр, непрерывно сглаживающий последовательности по параболической модели в пределах эффективной памяти фильтра в каждом q-м канале с целью подавления шумовПолучаются сглаженные дискретные сигналы где ошибка сглаживания. По сглаженным значениям находят оценки полупериодов сигналов в Q каналах и по совокупности этих оценок определяют медианную оценку частоты Одновременно вычисляют остаточные ряды

которые обрабатывают одноступенчатым экспоненциальным фильтром для обнаружения следующего момента времени τ₂ появления второго сигнала.

3. Запомненные последовательности значений сглаженных сигналов повторно обрабатывают фильтром Калмана, настроенным на модель сигнала гармонического вида где - найденная оценка частоты, - случайная величина.

Фильтр Калмана последовательно во времени t₁ находит оценку вектора состояния в составе которого находятся оценки амплитуд гармонических составляющих сигнала, и на основе оценок амплитуд вычисляют оценки фаз в q-x каналах до момента времени прихода второго сигнала. Затем методом разности фаз определяют оценки угловых координат первого объекта.

4. По остаточному ряду обнаруживают момент времени τ₂ прихода сигнала от второго объекта в q-x каналах Начиная с момента времени где h₁ учитывает возможное опережение сигнала в отдельных каналах, формируют и запоминаются последовательности значений экстраполированных оценок сигналов от первого объекта

5. По истечение времени h переходного процесса, начиная с момента производят вычитание из сглаженных последовательностей входных сигналов оценок сигнала от первого объекта, и разностный сигнал принимают за оценку сигнала от второго объекта:

где - ошибка калмановского оценивания.

6. Далее сигнал обрабатывают в соответствии с пп. 2-4, вычисляют и запоминают оценки угловых координат второго объекта. Подобным образом выделяют сигналы от третьего объекта, вычисляют и запоминают оценки его угловых координат и продолжают операции до окончания периода зондирования.

Системная работа радиоприемников

Системная работа приемников позволяет повысить разрешение по доплеровской частоте. Принцип такого повышения удобно пояснить на примере одной приемопередающей станции и второго пассивного приемника. Пусть приемопередающая станция (точка А) и вспомогательный пассивный приемник (точка В) расположены в вершинах основания треугольника ABC. Два объекта движутся из точки С вершины треугольника в направлении векторов скорости с постоянными скоростями Обозначим α - угол между угол между - угол между

Передатчик А излучает гармонический сигнал с длиной волны λ в одном периоде зондирования, приемники А и В принимают отраженные сигналы, частоты которых меняются пропорционально проекциям скоростей на направления Модуль разности доплеровских частот от двух объектов в приемнике А, умноженный на длину волны λ, определится как

Модуль разности доплеровских частот в приемнике В соответственно будет

Исследуя зависимость показателя от угла α при фиксированных значениях можно определить наилучшее (для данного частного случая) взаимное угловое положение приемников, при котором разность доплеровских частот от двух объектов наибольшая, что обеспечивает наилучшее в данных условиях моделирования разрешение по доплеровской частоте.

В частном случае раскрытия модуля виз необходимого условия экстремума функции находится угол α₀, обеспечивающий максимум

Так, при значение угла

При таком угле то есть разрешение по доплеровской частоте в системе двух приемников примерно в 4 раза лучше, чем в одном приемнике. В реальных условиях при наличии трех и большего числа приемников наилучшее взаимное угловое положение линий визирования приемников с учетом многих факторов определяется экспериментально.

Нахождение вектора скорости

Угловые координаты объектов, найденные в системах координат приемников - число приемников) позволяют определить орты векторов направлений на -е объекты, которые при наличии взаимной ориентации приемников представлены в единой системе координат в матричной форме (Т - символ транспонирования): - число объектов, обнаруженных в j-м приемнике; номер объекта с позиции j-го приемника. Так как соответствие между неизвестно, то решается задача классификации - распределения векторов по принадлежности конкретным объектам. Решение основано на переборе соединения ортов в группы их N ортов векторов направлений, проверке критерия сопряжения ортов в группах в виде линейной зависимости векторов [4] и выборе непересекающихся групп с наилучшими показателями сопряжения. Результатом классификации являются групп ортов векторов направлений, каждая из которых указывает на определенный объект, а число является оценкой числа обнаруженных таким образом объектов. Критерий сопряжения для случая Т=3 изложен в [4].

Для каждой совокупности удовлетворяющих критерию сопряжения и направленным на один и тот же обнаруженный объект, с учетом запомненных в приемниках доплеровских частот записывается система уравнений

где -ошибки измерения доплеровского сдвига частоты; - радиальные проекции вектора скорости объекта на направления передатчика и j-го приемника, которые выражаются через скалярные произведения ортов и векторов скоростей в векторной, координатной и матричной формах:

Минимизация квадрата нормы вектора ошибок дает оценку вектора скорости

Компьютерное моделирование

Моделировалась частотно-временная обработка сигналов в системе приемопередающей станции и двух вспомогательных приемников (предлагаемый способ) и одна частотная обработки сигналов в той же системе (прототип). Приемопередающая станция и вспомогательные приемники взаимно располагались так, чтобы для данных условий моделирования обеспечивалось наиболее эффективное обнаружение объектов. Три объекта двигались со скоростями от 10 до 11 м/с в направлении приемопередающей станции, первоначально удаленной от них на 1 км по радиальной дальности, и занимали по отношению к ней положение по двум угловым координатам от 29° до 31°. Считалось, что угловое положение объектов оценивалось правильно, еслиошибки измерения каждой угловой координаты не превышали 1°. Для предложенного способа вероятность правильного определения углового положения всех объектов при отношении сигнал-шум 20-30 дБ составила 0,96-0,98, а для способа прототипа 0,82-0,84.

Предложенный способ может найти применение в системах пеленгации нескольких движущихся с близкими скоростями объектов.

Литература

1. Бакулев П.А. Радиолокационные системы. Учебник для вузов. Изд. 3-е, перераб. и доп.М.: Радиотехника, 2015. 440 с.

2. Патент RU 2803325. Способ определения угловых координат движущихся объектов доплеровской станцией / Клочко В.К., Кузнецов В.П., By Б.X. Приоритет 27.06.2022. Опубл. 20.03.2023. Бюл. №8.

3. Патент RU 2799480. Способ обработки сигналов во временной и частотной областях / Клочко В.К. Приоритет 03.02.2023. Опубл. 05.07.2023. Бюл. №19.

4. Патент RU 2803325. Способ определения координат и векторов скоростей нескольких объектов системой доплеровских приемников / Клочко В.К. Приоритет 28.10.2022. Опубл. 12.09.2023. Бюл. №26.

Изобретение относится к многопозиционным полуактивным системам пеленгации движущихся объектов с обработкой радиосигналов в режиме однопериодного зондирования. Техническим результатом является обеспечение выполнения операций обнаружения и определения угловых координат объектов в одном периоде зондирования, а также обнаружение объектов с одинаковыми векторами скорости и определение их угловых координат за счет частотно-временной обработки принимаемых сигналов. В заявленном способе приемопередающая станция излучает гармонический сигнал на малом промежутке времени, а вспомогательные приемники, удаленные от передатчика, синхронизированные с ним по времени и взаимно ориентированные в пространстве, принимают и обрабатывают отраженный сигнал от нескольких движущихся объектов. Такой режим работы приемопередающей станции обеспечивает ее скрытность. При этом выполнение операций обнаружения, определения угловых координат и векторов скоростей объектов осуществляется в одном периоде зондирования с применением частотно-временной обработки принимаемых сигналов в системе позиционирования приемников. Способ может найти применение в системах пеленгации нескольких движущихся с близкими скоростями объектов.

Способ обработки сигналов в системе радиоприемников, заключающийся в излучении приемопередающей станцией зондирующего гармонического сигнала в заданном угловом направлении и приеме отраженного сигнала от движущихся объектов в приемопередающей станции и нескольких удаленных от нее приемниках, взаимно ориентированных и синхронизированных по времени с приемопередающей станцией, преобразовании сигнала в нескольких приемных каналах приемников во временные последовательности и затем в частотные последовательности в полосе доплеровских частот, выделении и запоминании частот, на которых спектральные составляющие по амплитуде превышают заданный порог во всех каналах, определении угловых координат объектов методом разности фаз найденных спектральных составляющих, вычислении на основе угловых координат ортов векторов направлений на объекты, распределении этих ортов по критерию сопряжения в группы по принадлежности одним и тем же объектам, которые считаются обнаруженными, вычислении векторов скорости обнаруженных объектов на основе групп ортов векторов направлений на объекты и запомненных доплеровских частот, отличающийся тем, что обработку сигналов производят в одном периоде зондирования приемопередающей станции, при этом временные последовательности подвергают операциям фильтрации с экстраполяцией и обнаруживают первый момент времени несоответствия экстраполированных значений сигналов элементам временных последовательностей, начиная с этого момента, подсчитывают число полупериодов фильтрованных временных последовательностей в приемных каналах и на их основе определяют оценку частоты сигнала от первого объекта, которую запоминают, затем с помощью фильтра Калмана находят оценки амплитуд и фаз сигналов в каналах и методом разности фаз определяют угловые координаты первого объекта, после чего при обнаружении второго момента времени несоответствия экстраполированных значений сигналов элементам временных последовательностей из фильтрованных последовательностей входного сигнала в каналах вычитают экстраполированные значения сигналов от первого объекта по истечении времени переходного процесса и получают оценки сигналов от второго объекта, повторяют операции нахождения амплитуд и фаз сигналов от второго объекта и методом разности фаз определяют его угловые координаты, затем повторяют операции для обнаружения третьего и других объектов до окончания периода зондирования, после чего сравнивают число объектов, найденных во временных последовательностях, с числом объектов, найденных в частотных последовательностях, и, если число объектов, найденных во временных последовательностях, больше числа объектов, найденных в частотных последовательностях, то принимают оценки угловых координат, найденных во временных последовательностях, вычисляют орты векторов направлений на объекты на основе этих оценок, распределяют эти орты по критерию сопряжения в группы по принадлежности одним и тем же объектам и вычисляют для каждой группы ортов векторов направлений и запомненных частот векторы скорости объектов, в противном случае берут оценки угловых координат и векторов скорости объектов, обнаруженных в частотных последовательностях.