10.04.2019
219.017.0055

СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ И АНАЛИЗА РАДИОСИГНАЛОВ

Вид РИД

Изобретение

Юридическая информация Свернуть Развернуть
Краткое описание РИД Свернуть Развернуть
Аннотация: Способ обнаружения и анализа радиосигналов заключается в том, что задают: первый порог, определяемый уровнем шума приемного устройства, третий порог, определяемый мощностью помеховых сигналов, четвертый порог, определяемый величиной эффективной площади отражения (ЭПО) обнаруживаемых объектов, а также значение средней удельной ЭПО σ земной поверхности. Излучают радиосигналы, принимают отраженные радиосигналы и находят среднее значение их амплитуд, которое сравнивают со значением первого порога и, в случае если среднее значение амплитуды принятого сигнала меньше порога, считают, что отраженные радиосигналы отсутствуют, и процесс их обнаружения повторяют сначала, иначе выполняют следующее: среднее значение амплитуды принятых радиосигналов сравнивают со значением амплитуды третьего порога и, в случае превышения ей третьего порога, считают, что принят помеховый сигнал, и процесс обнаружения радиосигналов повторяют сначала, иначе выполняют следующее: вычисляют верхнюю и нижнюю границы спектра возможных доплеровских частот отраженных от земли радиосигналов; определяют значение амплитуды второго порога, исходя из площади пятна диаграммы направленности антенны на земле; в течение нескольких тактов снова излучают радиосигналы, принимают отраженные радиосигналы и накапливают их, формируя суммарный сигнал, и измеряют ширину спектра доплеровских частот накопленного радиосигнала, дальнейший анализ выполняют в соответствии со следующей логикой: принят отраженный от земли радиосигнал, если одновременно выполнены два условия: амплитуда суммарного сигнала Us больше амплитуды второго порога U и ширина спектра Δf доплеровских частот принятого радиосигнала равна ширине спектра Δf=f-f доплеровских частот радиосигналов, отраженных от земли; или, если UU, но Δf<Δf, или, если одновременно выполнены два условия: U≥U и Δf<Δf. 3 ил.
Реферат Свернуть Развернуть

Изобретение относится к радиолокации, в частности к радиолокационным системам (РЛС) летательных аппаратов (ЛА), осуществляющих обнаружение низколетящих радиоконтрастных объектов (РКО) на фоне земли.

Известны следующие способы обнаружения радиосигналов, описанные в монографии [Филькенштейн М.И. Основы радиолокации: Учебник для ВУЗов. - М.: Радио и связь, 1983, с.205-210]:

- обнаружение по критерию минимума среднего риска (критерию Байеса), который заключается в минимизации суммарной вероятности ошибки (пропуска цели или ложной тревоги);

- обнаружение по критерию Неймана-Пирсона, когда задаются заметно меньшей вероятностью ложной тревоги по сравнению с вероятностью пропуска цели и требуют максимизации вероятности правильного обнаружения, которая должна быть близка к единице.

Недостатки перечисленных способов связаны с тем, что при применении перечисленных способов для определения значений порогов обнаружения используются только априорные сведения об условиях применения и не учитываются характеристики РЛС, что обусловливает низкую вероятность правильного решения обнаружения РКО.

Из известных технических решений наиболее близким (прототипом) является способ обнаружения и анализа радиосигналов описанный в монографии [Меркулов В.И., Канащенков А.И., Чернов B.C. и др. Авиационные системы радиоуправления. Т.3 /Под ред. А.И.Канащенкова и В.И.Меркулова. - М.: Радиотехника, 2004, с.190-193], согласно которому:

- задают амплитуды следующих порогов: Uп1, на уровне шума, используемого в РЛС приемного устройства; Uп2, исходя из значения средней эффективной поверхности отражения (ЭПО) земной поверхности, над которой предполагается обнаружение РКО; Uп3, исходя из априорных данных о мощности помеховых сигналов; Uп4, исходя из априорных данных о величине ЭПО обнаруживаемых РКО;

- в направлении предполагаемого нахождения РКО излучают радиосигналы и принимают помеховые либо отраженные от РКО и земли радиосигналы;

- определяют верхнюю fв и нижнюю fн границы спектра возможных доплеровских частот отраженных от земли радиосигналов;

- находят среднее значение амплитуд Uср принятых за N последних тактов работы РЛС радиосигналов и сравнивают его с амплитудой первого порога Uп1 и,

а) в случае выполнения условия Ucp<Uп1, принимают решение об отсутствии принятых радиосигналов (то есть среднее значение амплитуд Uср радиосигналов на выходе приемного устройства (ПРМУ) обусловлено только его внутренним шумом) и процесс обнаружения отраженных от РКО радиосигналов повторяют сначала;

б) в случае выполнения условия Uср≥Uп1 считают, что обнаружен один из трех радиосигналов: помеховый либо отраженный от земли или РКО и далее анализируют его следующим образом:

- среднее значение амплитуд Uср принятых радиосигналов сравнивают с амплитудой третьего порога Uп3 и,

а) в случае выполнения условия Ucp≥Uп3 считают принятый сигнал помеховым и процесс обнаружения отраженных от РКО радиосигналов повторяют сначала;

б) в случае выполнения условия Ucp<Uп3 анализируют принятый радиосигнал на предмет его принадлежности земле по двум признакам - энергетическому и частотному - следующим образом:

- среднее значение амплитуд Ucp принятых радиосигналов сравнивают с амплитудой второго порога Uп2 и,

а) в случае выполнения условия Ucp≥Uп2 принятый радиосигнал пропускают через фильтр с полосой пропускания Δf=fв-fн, и при наличии сигнала на выходе этого фильтра принимают решение о том, что принятый радиосигнал отражен от земли, и процесс обнаружения отраженных от РКО радиосигналов повторяют сначала; при отсутствии сигнала на выходе фильтра переходят к анализу принятого радиосигнала на его принадлежность РКО;

б) в случае выполнения условия Ucp<Uп2 переходят к анализу принятого радиосигнала на его принадлежность РКО.

Анализ принятого радиосигнала на принадлежность РКО, осуществляют следующим образом:

- в течение М тактов накапливают принимаемые радиосигналы;

- сравнивают амплитуду UΣ накопленного радиосигнала с амплитудой четвертого порога Uп4 и в случае выполнения условия UΣ≥Uп4 принимают решение о приеме отраженного от РКО радиосигнала, в противном случае принимают решение об отсутствии отраженного от РКО радиосигнала и процесс обнаружения отраженных от РКО радиосигналов повторяют сначала.

Недостатки прототипа:

1) низкая вероятность принятия правильного решения об обнаружении РКО. Данный недостаток обусловлен тем, что амплитуду второго порога Uп2 назначают исходя из средней ЭПО земной поверхности, а не из реальной, зависящей от площади S3 поверхности земли, на фоне которой осуществляется обнаружение РКО. Реальная площадь S3 поверхности земли, от которой происходит отражение радиосигналов, зависит (см. фиг.1) от высоты H ЛА и угла ϕв отклонения антенны относительно горизонта в вертикальной плоскости;

2) высокая вероятность необнаружения малоподвижных РКО (например, медленно летящих или зависших вертолетов). Данный вывод основан на том, что спектр доплеровских частот сигналов, отраженных от малоподвижных РКО, так же как и спектр доплеровских частот сигналов, отраженных от земли, находится в пределах полосы частот fн...fв, и при используемом в прототипе частотном анализе радиосигналы, отраженные от таких РКО, будут отнесены к сигналам, отраженным от земли.

Таким образом, задачей изобретения является снижение вероятности ложной тревоги и повышение вероятности правильного обнаружения РКО на фоне земной поверхности, а также снижения вероятности необнаружения малоподвижных РКО.

Поставленная задача достигается тем, что в известном способе обнаружения и анализа радиосигналов, наряду с амплитудами порогов, задаваемых исходя из уровня шумов используемого в РЛС приемного устройства, исходя из экспериментальных данных о средней мощности помеховых сигналов и исходя из средней ЭПО обнаруживаемых РКО, измеряют высоту полета ЛА и углы поворота антенны, используя которые определяют порог обнаружения, зависящий от площади земной поверхности, попавшей в луч диаграммы направленности антенны (ДНА) РЛС. Используя частотный анализ принятых и накопленных радиосигналов, заключающийся в сопоставлении ширины спектра доплеровских частот отраженных от РКО радиосигналов и ширины спектра доплеровских частот отраженных от земли радиосигналов, и порог обнаружения, зависящий от площади попавшей в луч ДНА земной поверхности, более достоверно, чем в прототипе, разделяют отраженные от РКО и земли радиосигналы.

Итак, согласно заявленному способу.

Задают следующие амплитуды порогов (см. фиг.2):

- Uп1 - амплитуду первого порога - на уровне шума используемого в РЛС приемного устройства;

- Uп3 - амплитуду третьего порога - исходя из априорных данных о мощности помеховых сигналов;

- Uп4 - амплитуду четвертого порога - исходя из априорных данных о величине ЭПО обнаруживаемых РКО.

Кроме этого задают:

- значение средней удельной ЭПО σуд земной поверхности, над которой предполагается обнаружение РКО;

- значение коэффициента достоверности k2.

Коэффициент достоверности k2=0,4...0,7 постоянный коэффициент, определяющий соотношение ширины спектра доплеровских частот отраженных от РКО радиосигналов и ширины спектра доплеровских частот отраженных от земли радиосигналов. Значение коэффициента достоверности определяют экспериментально исходя из ширины диаграммы направленности антенны: чем шире диаграмма направленности антенны, тем меньшим из указанного диапазона задают значение коэффициента k2.

В направлении предполагаемого нахождения РКО излучают радиосигналы и принимают отраженные от РКО и земли радиосигналы.

Определяют Uср - среднее значение амплитуд, принятых за N последних тактов работы РЛС радиосигналов, по формуле:

где N - количество обрабатываемых в РЛС радиосигналов,

Ucn - измеренное значение амплитуды радиосигнала, принятого на n-м такте работы РЛС, a (последняя запись здесь и далее означает, что переменная, в данном случае n, последовательно принимает значения от 1 до N с шагом 1).

Среднее значение амплитуд принятых радиосигналов Ucp сравнивают с амплитудой первого порога Uп1 и,

а) в случае выполнения условия Ucp<Uп1 считают, что отраженные радиосигналы отсутствуют, и процесс их обнаружения повторяют сначала;

б) в случае выполнения условия Ucp≥Uп1 выполняют следующее:

- среднее значение амплитуд принятых радиосигналов Ucp сравнивают с амплитудой третьего порога Uп3 и,

а) в случае выполнения условия Ucp≥Uп3 считают, что принят помеховый сигнал, и процесс обнаружения радиосигналов повторяют сначала;

б) в случае выполнения условия Ucp<Uп3 выполняют следующее:

- измеряют скорость полета V ЛА, на котором установлена РЛС; измеряют углы ϕв и ϕг отворота антенны РЛС в вертикальной и горизонтальной плоскостях, соответственно; измеряют высоту полета H ЛА;

- вычисляют верхнюю fв и нижнюю fн границы спектра возможных доплеровских частот отраженных от земли радиосигналов по формулам:

где V - скорость полета ЛА;

ϕг - угол отворота антенны в горизонтальной плоскости;

ϕв - угол отворота антенны в вертикальной плоскости;

θг - ширина ДНА РЛС в горизонтальной плоскости;

θв - ширина ДНА РЛС в вертикальной плоскости;

λ - длина волны;

- определяют значение амплитуды второго порога Uп2 по формуле

где: k1 - определяемый экспериментально коэффициент пропорциональности, ставящий в соответствие ЭПО земной поверхности и напряжение на выходе приемного устройства РЛС;

σуд - средняя удельная ЭПО земной поверхности;

Н - высота полета ЛА;

π=3,14159;

- в течение М тактов работы РЛС накапливают принимаемые радиосигналы, формируя этим суммарный сигнал

где Ucm - измеренное значение амплитуды принятого на m-м такте работы РЛС радиосигнала;

- на М-м такте работы РЛС измеряют значения спектральных составляющих доплеровских частот принятого радиосигнала, определяя этим ширину спектра Δfспр доплеровских частот принятого радиосигнала;

- проводят анализ с целью определения, какой из двух возможных радиосигналов накоплен - отраженный от земли или отраженный от РКО, в соответствии со следующей логикой:

принят отраженный от земли радиосигнал, если одновременно выполнены два условия: амплитуда суммарного сигнала UΣ больше амплитуды второго порога Uп2 и ширина спектра Δfспр доплеровских частот принятого радиосигнала приближенно равна ширине спектра Δfсз=fв-fн доплеровских частот радиосигналов, отраженных от земли. В случае, если UΣ>Uп2, но Δfспр<k2·Δfсз, где k2 - коэффициент достоверности, считают, что принят радиосигнал, отраженный от РКО;

принят отраженный от РКО радиосигнал, если одновременно выполнены два условия: UΣ≥Uп4 и Δfспр<k2·Δfсз. В случае если Uп4<UΣ<Uп2, но Δfспр≈Δfсз, считают принятым радиосигнал, отраженный от земли.

К операции измерения значений спектральных составляющих доплеровских частот принятого радиосигнала заявленный способ обнаружения и анализа радиосигналов не предъявляет никаких требований: для их измерения может быть использован любой из известных приемов, например использование в приемном устройстве набора аналоговых узкополосных фильтров или использование при обработке принятых радиосигналов алгоритма быстрого преобразования Фурье.

На фиг.1 схематично отображено положение ЛА с установленной на нем РЛС, где обозначено: OXYZ - земная система координат; Дн - наклонная дальность от ЛА до земли; Н - высота полета ЛА; ϕв - угол наклона антенны РЛС в вертикальной плоскости; ϕг - угол наклона антенны РЛС в горизонтальной плоскости; θв - ширина луча ДНА РЛС в вертикальной плоскости; θг - ширина луча ДНА РЛС в горизонтальной плоскости; Sз - площадь земной поверхности, от которой отражается излучаемый РЛС радиосигнал.

На фиг.2 условно отображены амплитуды первого Uп1, четвертого Uп4, второго Uп2 и третьего Uп3 порогов, а также уровни принимаемых радиосигналов: помехи, отраженных от земли и РКО.

Для лучшего понимания предлагаемого способа как процесса выполнения действий над материальным объектом с помощью материальных средств и подтверждения возможности функционирования заявленного изобретения на фиг.3 представлена структурная схема анализатора сигналов, где обозначено:

1 - радиовысотомер (РВ);

2 - первый датчик углового положения антенны (ДУПА);

3 - второй ДУПА;

4 - датчик воздушной скорости (ДВС);

5 - вычислитель;

6 - запоминающее устройство (ЗУ);

7 - первое устройство сравнения (УС);

8 - второе УС;

9 - третье УС;

10 - четвертое УС;

11 - логический элемент ИЛИ (ЛЭИЛИ);

12 - первый логический элемент И (ЛЭИ);

13 - второй ЛЭИ.

Радиовысотомер - любой из используемых на ЛА РВ. Датчики углового положения антенны - любые из используемых на ЛА ДУПА. Датчик воздушной скорости любой из используемых на ЛА ДВС. Запоминающее устройство - любое ЗУ из используемых в бортовых вычислительных машинах (БЦВМ). Устройства сравнения - стандартное УС, сравнивающее амплитуды напряжений на его входах. Логические элементы И и ИЛИ - типовые логические элементы. Вычислитель реализован на базе БЦВМ, входящей в состав любой современной РЛС; предполагается, что на его вход подают сигналы в цифровой форме; предполагается также, что при отсутствии у любого из приведенных на схеме устройств цифрового выхода сигналы с его выхода с помощью аналого-цифрового преобразователя преобразуют в цифровую форму.

Анализатор сигналов, в котором реализован заявленный способ обнаружения и анализа радиосигналов работает следующим образом.

В начале работы в ЗУ 6 вводят: значения амплитуд порогов Uп1, Uп3, Uп4; значение средней удельной ЭПО земной поверхности σуд; значения ширины ДНА в вертикальной θв и горизонтальной θг плоскостях соответственно; значение длины волны λ; значение константы π; значения коэффициентов пропорциональности k1 и достоверности k2.

В направлении предполагаемого нахождения РКО излучают радиосигналы и принимают отраженные от РКО и земли радиосигналы. (На представленной на фиг.3 структурной схеме передающее устройство, антенна и приемное устройство (ПРМУ), осуществляющие излучение радиосигналов и прием отраженных от РКО и земли радиосигналов, не показаны).

В течение N тактов работы вычислитель 5 получает из ПРМУ измеренные им значения амплитуд Ucn (где ) принятых радиосигналов и запоминает их в ЗУ 6.

После этого вычислитель 5 считывает из ЗУ 6 все N измеренных значений амплитуд принятых радиосигналов Ucn (где ) и по формуле (1) вычисляет среднее значение амплитуд Ucp принятых сигналов, которое выдает на первый вход первого УС 7, на второй вход которого вычислитель 5 выдает считанное им из ЗУ 6 значение амплитуды первого порога Uп1.

Первое УС 7 сравнивает среднее значение амплитуд Ucp принятых сигналов с амплитудой первого порога Uп1 и в случае, если Ucp<Uп1, формирует сигнал П1, равный логическому нулю, который с выхода первого УС 7 поступает в вычислитель 5; в ином случае, формирует сигнал П1, равный логической единице, который также поступает в вычислитель 5.

Вычислитель 5 в случае получения сигнала П1, равного логическому нулю, все описанные выше операции повторяет сначала; в случае получения сигнала П1, равного логической единице, выдает на первый и второй входы второго УС 8 соответственно среднее значение амплитуд Ucp принятых сигналов, и считанное им из ЗУ 6 значение амплитуды третьего порога Uп3.

Второе УС 8 сравнивает среднее значение амплитуд Ucp принятых сигналов с амплитудой третьего порога Uп3 и, в случае, если Uср<Uп3, формирует сигнал П3, равный логическому нулю, который с выхода второго УС 8 поступает в вычислитель 5; в противном случае формирует сигнал П3, равный логической единице, который с выхода второго УС 8 поступает в вычислитель 5 и к потребителям информации как сигнал «Помеха».

Вычислитель 5 при получении сигнала П3, равного логической единице, все описанные выше операции повторяет вновь; при получении сигнала П3, равного логическому нулю, выполняет следующее:

- в течение М тактов работы получает из ПРМУ измеренные им значения амплитуд Ucm принятых радиосигналов (где ) и запоминает их в ЗУ 6;

- на М-м такте работы получает:

а) из ПРМУ измеренное им значение ширины спектра Δfспр доплеровских частот принятого на этом такте радиосигнала;

б) с ДВС 4 измеренное им значение скорости V ЛА;

в) с первого 2 и второго 3 ДУЛА измеренные ими значения углов отворота антенны в горизонтальной σг и вертикальной σв плоскостях, соответственно;

г) с выхода РВ 1 измеренное им значение высоты полета Н ЛА;

д) полученные значения Δfспр, V, ϕг, ϕв и Н запоминает в ЗУ 6.

После чего вычислитель 5 выполняет следующее:

- считывает из ЗУ 6 значения длины волны λ, ширины ДНА θв и θг и, используя значения углов ϕв и ϕг отворота антенны и скорости V ЛА, по формулам (2) вычисляет значения верхней fв и нижней fн границ спектра возможных доплеровских частот отраженных от земли радиосигналов, и по формуле Δfсз=fв-fн - ширину спектра Δfсз доплеровских частот отраженных от земли радиосигналов;

- считывает из ЗУ 6 значение ширины спектра Δfспр доплеровских частот принятого радиосигнала, коэффициента достоверности k2 и проверяет выполнение условия Δfспр≤k2·Δfсз. В случае выполнения данного условия формирует сигнал «Признак спектра» (ПрСп), равный логической единице, и выдает его на второй вход первого ЛЭИ 12 и на второй (инверсный) вход второго ЛЭИ 13, иначе - на входы обоих ЛЭИ выдает сигнал ПрСп, равный логическому нулю;

- считывает из ЗУ 6 значения: средней удельной ЭПО земной поверхности σуд, длины волны λ, углов ϕв и ϕг отворота антенны, θв и θг ширины ДНА, высоты полета Н ЛА и по формуле (3) вычисляет значение амплитуды второго порога Uп2, которое выдает на второй вход третьего УС 9.

- считывает из ЗУ 6 все М значений амплитуд принятых радиосигналов Ucm и по формуле (4) вычисляет значение амплитуды суммарного сигнала UΣ, которое выдает на первые входы третьего 9 и четвертого 10 устройств сравнения;

- считывает из ЗУ 6 значение амплитуды четвертого порога Uп4 и выдает его на второй вход четвертого УС 10.

Третье УС 9 сравнивает величину амплитуды суммарного сигнала UΣ со значением амплитуды второго порога Uп2, и, в случае если UΣ≥Uп2, формирует сигнал П2, равный логической единице, который с его выхода поступает на первый вход ЛЭИЛИ 11; в противном случае формирует сигнал П2, равный логическому нулю, который с его выхода поступает на первый вход ЛЭИЛИ 11.

Четвертое УС 10 сравнивает величину амплитуды суммарного сигнала UΣ со значением амплитуды четвертого порога Uп4, и, в случае если UΣ≥Uп4, формирует сигнал П12, равный логической единице, который с его выхода поступает на второй вход ЛЭИЛИ 11 и на первый вход второго ЛЭИ 13; в противном случае формирует сигнал П3, равный логическому нулю, который поступает к тем же адресатам.

ЛЭИЛИ 11 в случае наличия на любом его входе сигнала, равного логической единице, формирует сигнал П22, равный логической единице, который с его выхода поступает на первый вход первого ЛЭИ 12; в противном случае формирует сигнал П22, равный логическому нулю, который также поступает на первый вход первого ЛЭИ 12.

Первый ЛЭИ 12 в случае наличия на его обоих входах сигналов, равных логическим единицам, формирует сигнал, равный логической единице, который поступает к внешним потребителям как сигнал «Земля», иначе формирует сигнал, равный логическому нулю.

Второй ЛЭИ 13 в случае наличия на его обоих входах сигналов, равных логическим единицам, формирует сигнал, равный логической единице, который поступает к внешним потребителям как сигнал «РКО», иначе формирует сигнал, равный логическому нулю.

Использование заявленного способа не предъявляет дополнительных требований к существующим РЛС, а также к принципам построения их вычислителей, поэтому он может быть реализован в большинстве из них.

Использование способа обнаружения и анализа радиосигналов обеспечит снижение вероятности ложной тревоги и повышение вероятности принятия правильного решения при обнаружении РКО на фоне земной поверхности, при снижении вероятности необнаружения малоподвижных РКО.

Способобнаруженияианализарадиосигналовзаключаетсявтом,чтозадаютU-амплитудупервогопорога,определяемуюуровнемшумаиспользуемоговрадиолокационнойсистеме(РЛС)приемногоустройства(ПРМУ),U-амплитудутретьегопорогапоаприорноизвестнымданнымомощностипомеховыхсигналов,U-амплитудучетвертогопорога,определяемуювеличинойэффективнойплощадиотражения(ЭПО)обнаруживаемыхрадиоконтрастныхобъектов(РКО),значениесреднейудельнойЭПОσземнойповерхности,надкоторойпредполагаетсяобнаружениеРКО,значениякоэффициентовпропорциональностиkидостоверностиk,внаправлениипредполагаемогонахожденияРКОизлучаютрадиосигналыипринимаютотраженныеотРКОиземлирадиосигналы,находятU-среднеезначениеамплитудпринятыхзаNпоследнихтактовработыРЛСрадиосигналов,поформуле112700000008.tiftifdrawing122гдеN-количествообрабатываемыхвРЛСрадиосигналов,U-измеренноезначениеамплитудырадиосигнала,принятогонаn-мтактеработыРЛС,асреднеезначениеамплитудпринятыхрадиосигналовUсравниваютсозначениемамплитудыпервогопорогаUи,а)вслучаевыполненияусловияUU,ноΔf
Источник поступления информации: Роспатент

Всего документов: 24
Всего документов: 34

Похожие РИД в системе