Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛЯРИЗАЦИОННО-ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ОБНАРУЖЕНИЯ ПОДВИЖНЫХ ОБЪЕКТОВ

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах контроля воздушного, наземного и морского пространства с использованием прямых и рассеянных подвижными объектами радиосигналов, излучаемых множеством неконтролируемых и контролируемых передатчиков радиоэлектронных систем различного назначения.

Технология скрытного обнаружения и слежения за объектами, использующая естественный радиоподсвет целей, создаваемый на множестве частот радиоизлучениями передатчиков различного назначения: широковещательные (УКВ FM-радиовещание, ДМВ цифровое телевидение), информационные (связь) и измерительные (управление, навигация), пока еще не получила достаточного распространения, несмотря на то что может существенно повысить эффективность обнаружения, пространственной локализации и идентификации широкого класса подвижных объектов.

Принятый радиосигнал, как правило, включает мощные прямые радиосигналы и рассеянные от земной инфраструктуры компоненты сигнала выбранного передатчика радиоподсвета целей. Кроме того, он содержит задержанные по времени и сдвинутые на частоту доплеровского смещения рассеянные объектами сигналы, а также сигналы других неконтролируемых источников, работающих на частоте, совпадающей с частотой приема. Для эффективного обнаружения и точной пространственной локализации широкого класса объектов (автомобили, корабли, самолеты и беспилотные летательные аппараты, вертолеты, ракеты, спускаемые аппараты) необходимо качественное выделение слабых рассеянных от объектов радиосигналов на фоне мощного прямого сигнала выбранного передатчика радиоподсвета, а также на фоне сигналов других нежелательных источников. В наиболее типичных ситуациях уровень помех на 40-60 дБ превышает уровень рассеянных сигналов.

Системы скрытной радиолокации включают канал приема прямого сигнала передатчика подсвета и разведывательный канал.

Традиционно в системах скрытной радиолокации частичное подавление помехи в виде прямого сигнала передатчика подсвета осуществляется за счет минимизации боковых лепестков, формирования нуля в диаграмме направленности антенны или адаптивной пространственной фильтрации полезных сигналов в разведывательном канале.

Дополнительное подавление прямого сигнала может быть достигнуто за счет использования в разведывательном канале антенны с поляризацией, ортогональной к поляризации радиосигнала передатчика подсвета.

Однако лучшие характеристики систем скрытной радиолокации могут быть достигнуты при использовании двух разведывательных каналов с ортогональными поляризациями. Это обусловлено тем, что рассеянный целью сигнал, как правило, имеет случайную поляризацию. Как следствие, некогерентное суммирование изображений в координатах «временная задержка (дальность) - доплеровская частота (скорость)», формируемых с использованием радиосигналов двух ортогональных поляризаций, обеспечивает увеличение среднего отношения сигнал/шум по сравнению с использованием единственной фиксированной поляризации.

Известен способ поляризационно-чувствительного обнаружения подвижных объектов [1], включающий прием рассеянных подвижными объектами радиосигналов неизвестной поляризации малобазовой антенной решеткой, состоящей из ортогонально расположенных антенн с совмещенными фазовыми центрами, формирование ансамбля радиосигналов, зависящего от времени и номера антенны, синхронное преобразование ансамбля принятых радиосигналов в цифровые сигналы, преобразование цифровых сигналов пар противоположных антенн в комплексные квадратурные составляющие дипольного и квадрупольного выходных сигналов, определение наличия рассеянных подвижными объектами радиосигналов и направлений их прихода по сигналам квадратурных составляющих дипольного и квадрупольного выходных сигналов.

Данный способ обеспечивает повышенную устойчивость обнаружения и пространственной локализации к поляризационным ошибкам. Однако этот способ относится к классу способов малобазового пеленгования, что является принципиальным ограничением на пути достижения потенциально возможных точностей пространственной локализации подвижных объектов.

Известен способ поляризационно-чувствительного обнаружения подвижных объектов [2], свободный от этих недостатков и принятый за прототип. Согласно этому способу:

используют прямые и рассеянные подвижными объектами радиосигналы, излучаемые широкополосными передатчиками радиоэлектронных систем различного назначения;

принимают решеткой из N антенн компоненты горизонтальной и вертикальной поляризации векторного многолучевого электромагнитного поля прямого и рассеянных радиосигналов;

синхронно преобразуют ансамбль принятых антеннами радиосигналов в цифровые сигналы;

цифровые сигналы преобразуют в двухкомпонентные прямой и рассеянные сигналы для выбранных азимутально-угломестных направлений приема ℓ, где h и ν - индексы, обозначающие компоненты горизонтальной и вертикальной поляризации, которые совместно со значением азимутально-угломестного направления приема запоминают;

вычисляют и сравнивают энергию компонент и прямого сигнала;

выбирают компоненту прямого сигнала с максимальной энергией ;

преобразуют компоненту прямого сигнала с максимальной энергией в матричный сигнал комплексной фазирующей функции A, включающий гипотетические сигналы, рассеиваемые каждым потенциальным объектом;

для каждого выбранного азимутально-угломестного направления приема преобразуют рассеянный сигнал s_ℓ в сигналы компонент комплексного частотно-временного изображения , где A^H - матрица, эрмитово сопряженная с A;

после чего по локальным максимумам суммы квадратов модулей элементов компонент комплексного частотно-временного изображения , где и - z-е элементы сигналов компонент и , определяют число рассеянных радиосигналов, по параметрам которых - значениям временной задержки, доплеровского сдвига и азимутально-угломестного направления приема - выполняют обнаружение и пространственную локализацию подвижных объектов.

Способ-прототип реализует достаточно эффективное обнаружение подвижных объектов в условиях неизвестной поляризации рассеянных объектами сигналов.

Однако способ-прототип при формировании сигналов компонент горизонтальной и вертикальной поляризации комплексного частотно-временного изображения использует операции, основанные на формировании нормированной классической двумерной взаимной корреляционной функции, которая, кроме основного лепестка, содержит высокие боковые лепестки, маскирующие сигналы далеких и слаборассеивающих объектов.

Таким образом, недостатком способа-прототипа является низкая вероятность обнаружения далеких и слаборассеивающих объектов.

Техническим результатом изобретения является повышение вероятности обнаружения далеких и слаборассеивающих объектов.

Повышение вероятности обнаружения достигается за счет применения новых операций поляризационно-чувствительной нелинейной итерационной обработки радиосигналов, обеспечивающих повышение чувствительности и динамического диапазона при формировании компонент горизонтальной и вертикальной поляризации двухкомпонентного комплексного частотно-временного изображения радиосигналов, рассеянных объектами в анализируемой области доплеровских частот и временных задержек.

Технический результат достигается тем, что в способе поляризационно-чувствительного обнаружения подвижных объектов, заключающемся в том, что используют прямые и рассеянные подвижными объектами радиосигналы, излучаемые широкополосными передатчиками радиоэлектронных систем различного назначения, принимают решеткой из N антенн компоненты горизонтальной и вертикальной поляризации векторного многолучевого электромагнитного поля прямого и рассеянных радиосигналов, синхронно преобразуют ансамбль принятых антеннами радиосигналов в цифровые сигналы, цифровые сигналы преобразуют в двухкомпонентные прямой и рассеянные сигналы для выбранных азимутально-угломестных направлений приема ℓ, где h и ν - индексы компонент горизонтальной и вертикальной поляризации, которые совместно со значением азимутально-угломестного направления приема запоминают, вычисляют и сравнивают энергию компонент и прямого сигнала, выбирают компоненту прямого сигнала с максимальной энергией , согласно изобретению, для каждого ожидаемого значения доплеровского сдвига частоты ω преобразуют компоненту прямого сигнала с максимальной энергией в матричный сигнал комплексной фазирующей функции A_ω, включающий гипотетические сигналы, рассеиваемые в ожидаемой области задержек каждым потенциальным подвижным и стационарным объектом, матричный сигнал A_ω запоминают, для каждого выбранного азимутально-угломестного направления приема и каждого ожидаемого значения доплеровского сдвига частоты преобразуют рассеянный сигнал каждой компоненты и в сигнал элемента компоненты комплексного частотно-временного изображения и , где - матрица, эрмитово сопряженная с A_ω, сигналы элементов компонент изображения и запоминают и используют в качестве начального приближения, а также итерационно формируют зависящий от предыдущего решения вспомогательный матричный сигнал , где и - z-е составляющие векторов элементов компонент изображения и , k=1, 2, … - номер итерации, и сигналы очередного приближения элементов компонент изображения и , где λ - множитель Лагранжа, до тех пор, пока номер текущей итерации не превысит заданный порог, объединяют сформированные сигналы элементов компонент и в результирующие матричные сигналы компонент изображения и , после чего по локальным максимумам суммы квадратов модулей составляющих результирующих матричных сигналов компонент комплексных частотно-временных изображений , где и - ωq-е составляющие матричных сигналов и , определяют число рассеянных радиосигналов, по параметрам которых - значениям временной задержки, доплеровского сдвига частоты и азимутально-угломестного направления приема - выполняют обнаружение и пространственную локализацию подвижных объектов.

Операции способа поясняются чертежом.

Устройство, в котором реализуется предложенный способ, содержит последовательно соединенные систему приема и предварительной обработки 1 и вычислительную систему 2.

В свою очередь, система приема и предварительной обработки 1 включает антенную решетку 1-1, тракт приема прямых и рассеянных сигналов, включающий преобразователь частоты 1-2, АЦП 1-3 и устройство адаптивной пространственной фильтрации 1-4.

При этом система 2 имеет выход, предназначенный для подключения к внешним системам.

Система 1 является аналогово-цифровым устройством и предназначена для адаптивной пространственной фильтрации полезных прямых и рассеянных объектами радиосигналов.

Антенная решетка 1-1 состоит из N антенн с номерами . Каждая антенна обеспечивает одновременный ненаправленный или направленный прием двух скалярных полей - ортогональных составляющих поляризованной волны в точке приема и имеет два отдельных выхода для радиосигналов горизонтальной (h) и вертикальной (ν) поляризаций.

Пространственная конфигурация антенной решетки может быть произвольной: плоской прямоугольной, плоской кольцевой или объемной, в частности конформной.

Преобразователь частоты 1-2 является 2N-канальным, выполнен с общим гетеродином и с полосой пропускания каждого канала, изменяемой в соответствии с шириной спектра принимаемого радиосигнала. Общий гетеродин обеспечивает многоканальный когерентный прием сигналов.

АЦП 1-3 также является 2N-канальным и синхронизирован сигналом одного опорного генератора (для упрощения опорный генератор на схеме не показан). Если разрядность и быстродействие АЦП достаточны для непосредственного аналого-цифрового преобразования входных сигналов, то вместо преобразователя частоты 1-2 могут использоваться частотно избирательные полосовые фильтры и усилители. Кроме этого, преобразователь частоты 1-2 обеспечивает подключение одной из антенн вместо всех антенн решетки для периодической калибровки приемных каналов по внешнему источнику сигнала. Возможна калибровка с использованием внутреннего генератора, выход которого также подключается вместо всех антенн для периодической калибровки каналов (для упрощения внутренний генератор на схеме не показан).

Устройство 1-4 представляет собой вычислительное устройство, обеспечивающее адаптивную пространственную фильтрацию.

Вычислительная система 2 предназначена для итерационного формирования двухкомпонентного сигнала комплексного частотно-временного изображения радиосигналов, рассеянных объектами в анализируемой области доплеровских частот и временных задержек, а также обнаружения и пространственной локализации подвижных объектов.

Устройство работает следующим образом.

В системе 2 на основе данных от внешних систем идентифицируется, выбирается и периодически обновляется совокупность передатчиков, излучающих радиосигналы с расширенным спектром.

Параметры выбранного множества передатчиков (номер, несущая частота, ширина спектра, форма, мощность излучаемого сигнала, координаты или расстояние и угловое положение относительно точки приема) запоминаются в системе 2, а также используются для настройки преобразователя 1-2. С целью упрощения цепи управления преобразователем не показаны.

Преобразователь частоты 1-2 по сигналам системы 2 перестраивается на заданную частоту приема.

Принятое каждой антенной с номером n решетки 1-1 векторное многолучевое электромагнитное поле прямого и рассеянных радиосигналов в виде зависящих от времени t радиосигналов горизонтальной и вертикальной поляризаций поступает на входы преобразователя частоты 1-2.

В преобразователе частоты 1-2 каждый принятый радиосигнал и фильтруется по частоте и переносится на более низкую частоту.

Сформированный в преобразователе 1-2 ансамбль радиосигналов и синхронно преобразуется с помощью АЦП 1-3 в цифровые сигналы и , где i - номер временного отсчета сигнала, которые поступают в устройство 1-4, где запоминаются.

В устройстве 1-4 цифровые сигналы преобразуются в двухкомпонентные прямой и рассеянные сигналы для выбранных азимутально-угломестных направлений приема ℓ.

Преобразование цифровых сигналов в двухкомпонентный прямой сигнал и двухкомпонентные рассеянные сигналы s_ℓ для выбранных азимутально-угломестных направлений приема осуществляется известными способами адаптивной пространственной фильтрации [3].

При этом, например, из цифровых сигналов горизонтальной поляризации формируется сигнал пространственной корреляционной матрицы входных сигналов R. Сигнал корреляционной матрицы R преобразуется в сигнал оптимального весового вектора w=R^-1η для формирования прямого сигнала, где η - вектор наведения, определяемый азимутально-угломестным направлением приема прямого радиосигнала, длиной волны (частотой) и геометрией решетки.

После этого цифровые сигналы объединяются в матричный цифровой сигнал X, преобразованием которого формируется сигнал , являющийся векторным сигналом компоненты горизонтальной поляризации прямого сигнала , где I - число временных отсчетов сигнала, принятого в выбранном азимутально-угломестном направлении.

Аналогично осуществляется формирование компоненты вертикальной поляризации прямого сигнала , а также компонент и рассеянных сигналов для выбранных азимутально-угломестных направлений приема ℓ.

Физически описанные операции адаптивной пространственной фильтрации обеспечивают одновременный направленный прием с заданных направлений двух компонент полезного прямого сигнала выбранного передатчика подсвета и двух компонент полезного рассеянного сигнала в направлении приема ℓ с одновременным подавлением широкого класса помех, приходящих с других направлений.

Полученные двухкомпонентные сигналы совместно со значением азимутально-угломестного направления приема ℓ поступают в вычислительную систему 2, где запоминаются.

В вычислительной системе 2 выполняются следующие действия:

- вычисляется и сравнивается энергия компонент и прямого сигнала;

- выбирается компонента прямого сигнала с максимальной энергией ;

- для каждого ожидаемого значения доплеровского сдвига частоты ω компонента прямого сигнала с максимальной энергией преобразуется в матричный сигнал комплексной фазирующей функции A_ω, включающий гипотетические сигналы, рассеиваемые в ожидаемой области задержек каждым потенциальным подвижным и стационарным объектом.

Преобразование компоненты прямого сигнала с максимальной энергией в матричный сигнал A_ω осуществляется по следующей формуле:

,

где - векторы размером I×1, являющиеся сдвинутыми по времени на qT_s версиями прямого сигнала , q=0, …, Q-1, Q - число временных задержек прямого сигнала, T_s - период выборки сигнала;

- матрицы доплеровских сдвигов, ω=0, ±1, …, ±Ω, (2Ω+1) - размер координатной сетки по доплеровскому сдвигу. Размеры матриц D_ω и A_ω, соответственно, равны I×I и I×2Q.

Таким образом, столбцы матрицы A_ω представляют собой задержанные по времени и сдвинутые по частоте доплеровского сдвига версии прямого сигнала , а размер этой матрицы I×2Q определяется числом отсчетов в разведываемом сигнале (длительностью интервала наблюдения) и размерами координатной сетки по временному запаздыванию;

- матричный сигнал комплексной фазирующей функции A_ω запоминается.

После этого в вычислительной системе 2 для каждого выбранного азимутально-угломестного направления приема и каждого ожидаемого значения доплеровского сдвига частоты, пробегающего дискретный ряд значений ω/(IT_s) (ω=0, ±1, …, ±Ω), выполняются следующие действия:

- преобразуется рассеянный сигнал каждой компоненты и в сигнал элемента компоненты комплексного частотно-временного изображения ;

- сигналы элементов компонент изображения и запоминаются и используются в качестве начального приближения;

- итерационно формируется зависящий от предыдущего решения вспомогательный матричный сигнал , где и - z-е составляющие компонент и , k=1, 2, … - номер итерации, и сигналы очередного приближения элементов компонент изображения и , где λ - множитель Лагранжа, до тех пор, пока номер текущей итерации не превысит заданный порог;

- после выполнения заданного числа итераций, сформированные сигналы элементов горизонтальной компоненты изображения объединяются в результирующий матричный сигнал горизонтальной компоненты изображения , а сигналы элементов вертикальной компоненты изображения объединяются в результирующий матричный сигнал вертикальной компоненты изображения по формулам:

,

;

- по локальным максимумам суммы квадратов модулей составляющих результирующих матричных сигналов компонент комплексных частотно-временных изображений , где и - ωq-е составляющие матричных сигналов и , определяют число рассеянных радиосигналов, по параметрам которых - значениям временной задержки, доплеровского сдвига частоты и азимутально-угломестного направления приема - выполняют обнаружение и пространственную локализацию подвижных объектов.

При этом выполняются следующие действия:

- сравниваются с порогом значения доплеровского сдвига каждого рассеянного сигнала и при превышении порога принимается решение об обнаружении подвижного объекта в анализируемом азимутально-угломестном направлении приема.

Порог выбирается исходя из минимизации вероятности пропуска объекта;

- по значению временной задержки сигнала τ определяется кажущаяся дальность до объекта D=τc, где с - скорость света;

- определяются пространственные координаты обнаруженного объекта по кажущейся дальности D и значениям азимута и угла места приема рассеянных сигналов, например, в соответствии с [4].

При этом для пары «устройство обнаружения - передатчик» строится эллипсоид равных кажущихся дальностей, соответствующих геометрическому месту точек в пространстве, сумма расстояний до которых (от передатчика до объекта и от объекта до устройства обнаружения) равна найденному значению кажущейся дальности D. По пересечению эллипсоида и значения направления (азимут и угол места) приема рассеянных сигналов определяются географические координаты обнаруженного объекта.

Результаты обнаружения и пространственной локализации воздушных объектов отображаются для повышения информативности.

Из приведенного описания следует, что устройство, реализующее предложенный способ, обеспечивает повышение вероятности обнаружения далеких и слаборассеивающих объектов за счет применения новых операций нелинейного формирования сигналов элементов поляризационных компонент изображения и (для каждого ℓ-го азимутально-угломестного направления приема и для каждого ожидаемого значения доплеровского сдвига частоты ω принятых сигналов) и последующего их объединения в результирующие матричные сигналы компонент изображения и .

Таким образом, за счет применения в каждом азимутально-угломестном направлении поиска объектов вместо поляризационно-чувствительной классической двумерной взаимной корреляции операций поляризационно-чувствительной нелинейной итерационной обработки радиосигналов, обеспечивающей повышение чувствительности и динамического диапазона при формировании компонент горизонтальной и вертикальной поляризации двухкомпонентного частотно-временного изображения радиосигналов, рассеянных объектами в анализируемой области доплеровских частот (скоростей) и временных задержек (дальностей), удается решить поставленную задачу с достижением указанного технического результата.

Источники информации

1. RU, патент, 2158002, кл. G01S 13/14, 2000 г.

2. US, патент, 7304603 B2, кл. G01S 13/02, 2007 г.

3. Ратынский М.В. Адаптация и сверхразрешение в антенных решетках. М.: Радио и связь. 2003 г.

4. RU, патент, 2444754 C15, кл. G01S 13/02, 2012 г.