Результат интеллектуальной деятельности: Способ повышения точности и достоверности пеленгования при накоплении спектральных компонент сигналов источников радиоизлучения

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в многоканальных моноимпульсных обнаружителях-пеленгаторах систем радиомониторинга для решения задач пеленгования источников радиоизлучения (ИРИ).

Известны способы пеленгования источников радиоизлучения, представленные например в [Уфаев В.А. Обнаружение и идентификация сигналов в панорамных фазометрических радиопеленгаторах // Антенны, 2008 г. № 5.], [Уфаев В.А. Способ идентификации радиоизлучений патент РФ №2236021, G01S5/04], [Радзиевский В.Г., Уфаев В.А. Первичная обработка сигналов в цифровых панорамных обнаружителях-пеленгаторах. – Радиотехника, 2003, № 7, с. 26-31], включающие прием радиоизлучений с помощью антенной системы (АС), состоящей из идентичных антенн и многоканального приемного устройства, измерение для каждой из возможных комбинаций пар антенн комплексных амплитуд спектральных компонент преобразования Фурье принимаемых временных реализаций, выполнение обнаружения каждой спектральной компоненты и идентификации обнаруженных компонент про принадлежности к сигналу одного источника радиоизлучения, формирование на основе измеренных комплексных амплитуд решающей функции пеленгования – углового спектра, являющегося функцией азимута и (или) угла места направления на ИРИ, максимизацию углового спектра и нахождение оценок азимута и (или) угла места направления на ИРИ как аргументов глобального максимума углового спектра. Однако в выражения для углового спектра входит лишь одна из спектральных компонент принимаемой реализации, несмотря на то, что по результатам выполнения идентификации определятся спектральные компоненты, принадлежащие сигналу одного ИРИ. Таким образом, процедура формирования углового спектра не предполагает выполнения накопления спектральных компонент сигналов, что не позволяет за счет накопления информации повысить показатели эффективности последующего пеленгования ИРИ, такие как точность и достоверность пеленгования.

Наиболее близким аналогом по технической сущности к предлагаемому является способ обнаружения и определения двумерного пеленга и частоты источников радиоизлучения по патенту РФ № 2190236, G01S 5/04, принятый за прототип.

Способ-прототип включает следующие операции.

1. Когерентный прием сигналов, одновременно попадающих в текущую полосу приема, когерентный перенос на более низкую частоту, синхронное преобразование временных реализаций в цифровую форму.

2. Синхронную регистрацию принятых одночастотных и многочастотных сигналов для всех баз, образованных опорной и всеми входящими в N-элементную решетку антеннами, в полосе приема, во много раз превышающей ширину спектра одиночного сигнала передатчика, восстановление с использованием преобразования Фурье комплексных временных спектров синхронно зарегистрированных сигналов опорной и каждой n-й антенны, где n=1…N, предполагающий формирование из восстановленных комплексных временных спектров сигналов опорной и каждой n-й антенны взаимных спектральных плотностей

(1)

и комплексных коэффициентов взаимной корреляции спектральной плотности на каждой частоте f принятых сигналов со спектральными плотностями на всех остальных частотах полосы приема по формуле

, (2)

после чего вычисляют модуль данных комплексных коэффициентов взаимной корреляции и сравнивают его значение с фиксированным порогом корреляции. Сигналы с частотами, на которых превышен порог, объединяют в i-й сигнал и идентифицируют его как обнаруженный сигнал, принадлежащий одному передатчику с полосой частот δf_i,, образованной идентифицированными к данному сигналу спектральными компонентами.

3. По каждому i-му сигналу в полосе частот δf_i вычисляют спектральные комплексные амплитуды сигналов,

, (3)

используя которые определяют реальную часть двумерного комплексного углового спектра сигналов

(4)

где – диаграмма направленности n-й антенны;

m = 0...М-1 – текущий номер узла сетки по азимуту;

М - число узлов по азимуту;

h = 0...Н-1 – текущий номер узла сетки наведения решетки по углу места;

Н - число узлов по углу места;

 – модельная фазирующая функция, зависящая от конфигурации антенной решетки,

и по максимумам определяют азимутальные α_m0 и угломестные β_h0 пеленги i-х сигналов передатчиков, обнаруженных в полосе приема.

Однако в данном способе имеются следующие недостатки.

1. Способ основан на использовании «опорной антенны», вследствие чего (как справедливо отмечено в [Радзиевский В.Г., Уфаев В.А. Первичная обработка сигналов в цифровых панорамных обнаружителях-пеленгаторах. – Радиотехника, 2003, № 7, с. 26-31]) не учитывается, что взаимный спектр сигнала в каналах приема необходимо определять для всех возможных комбинаций пар антенн. В случае приема сигналов с помощью многоканального моноимпульсного обнаружителя-пеленгатора (ОП) указанное обстоятельство является существенным недостатком данного способа, неоправданно неиспользующим имеющиеся технические возможности радиоэлектронной аппаратуры ОП и снижающим показатели эффективности как решения задачи идентификации спектральных компонент по принадлежности к сигналу одного источника радиоизлучения, так и пеленгования ИРИ.

2. Наличие опорного канала также может приводить к ухудшению точности и достоверности пеленгования в зависимости от того, какой из каналов антенной системы выбран опорным, что в реальных условиях функционирования ОП при их размещении на носителях различных типов обусловлено наличием эффекта «затенения» опорного канала в зависимости от его взаимного расположения относительно остальных антенн АС, а также объектов, расположенных в непосредственной близости к АС (например, мачтового устройства).

3. Способ предполагает вычисление реальной части двумерного комплексного углового спектра сигналов, что противоречит результатам решения задачи пеленгования в рамках теории статистической радиотехники. Максимум модуля углового спектра характеризует наибольший по амплитуде отклик сфазированной многоканальной АС в направлении на ИРИ, при этом фазирование обеспечивается лишь при вычислении модуля углового спектра.

4. Выражение для двумерного углового спектра предполагает вычисление суммы произведений измеренных канальных комплексных амплитуд сигналов на парциальные диаграммы направленности и модельные фазирующие функции антенн. Однако по результатам вычисления данной суммы не выполняется ее нормирование на квадратный корень из суммы квадратов модулей парциальных диаграмм направленностей антенн, что также противоречит результатам решения задачи пеленгования в рамках теории статистической радиотехники.

Указанные недостатки существенным образом ограничивают область применения данного способа, а их наличие определяет нецелесообразность его использования в современных (перспективных) многоканальных системах радиомониторинга при решении задачи пеленгования ИРИ.

Задачей предлагаемого технического решения является повышение точности и достоверности пеленгования источников радиоизлучения, обеспечиваемое за счет накопления спектральных компонент, идентифицированных по принадлежности к сигналу одного источника радиоизлучения.

Для решения поставленной задачи в способе, включающем когерентный прием сигналов, одновременно попадающих в текущую полосу приема, когерентный перенос на более низкую частоту, синхронное преобразование временных реализаций в цифровую форму; синхронную регистрацию принятых одночастотных и многочастотных сигналов для всех баз, образованных всеми входящими в N-элементную решетку антеннами, в полосе приема, во много раз превышающей ширину спектра одиночного сигнала передатчика, восстановление с использованием преобразования Фурье комплексных временных спектров синхронно зарегистрированных сигналов опорной и каждой n-й антенны, где n=1…N, предполагающий формирование из восстановленных комплексных временных спектров сигналов опорной и каждой n-й антенны взаимных спектральных плотностей

и комплексных коэффициентов взаимной корреляции спектральной плотности на каждой частоте f принятых сигналов со спектральными плотностями на всех остальных частотах полосы приема по формуле

,

после чего вычисляют модуль данных комплексных коэффициентов взаимной корреляции и сравнивают его значение с фиксированным порогом корреляции, сигналы с частотами, на которых превышен порог, объединяют в i-й сигнал и идентифицируют его как обнаруженный сигнал, принадлежащий одному передатчику с полосой частот δf_i,, образованной идентифицированными к данному сигналу спектральными компонентами, по каждому i-му сигналу в полосе частот δf_i вычисляют решающую функцию пеленгования, по максимумам которой определяют азимутальные α_m0 и угломестные β_h0 пеленги i-го сигнала передатчика, обнаруженного в полосе приема; согласно изобретению, выполняют синхронную регистрацию принятых одночастотных и многочастотных сигналов и образованных всеми входящими в N-элементную решетку антеннами; по каждому i-му сигналу в полосе частот δf_i вычисляют накопленные по спектральным отсчетам сигнала взаимные энергии между всеми парами пространственных каналов с порядковыми номерами и по формуле

,

используя которые определяют решающую функцию пеленгования, представляющую собой квадрат модуля двумерного углового спектра сигналов и вычисляемую по формуле

,

где – диаграмма направленности n-й антенны;

m = 0...М-1 – текущий номер узла сетки по азимуту;

М - число узлов по азимуту;

h = 0...Н-1 – текущий номер узла сетки наведения решетки по углу места;

Н - число узлов по углу места;

 – модельная фазирующая функция, зависящая от конфигурации антенной решетки.

Поставленная задача решается следующим образом.

В результате преобразования Фурье временной реализации спектр принимаемого с помощью ОП сигнала представлен несколькими спектральными компонентами, количество которых зависит от ширины полосы сигнала и длительности реализации. В рамках задачи обнаружения сигналов среди совокупности спектральных отсчетов определяются «сигнальные», в амплитуде и фазе которых содержится информация об излучаемой ИРИ радиоволне. При этом соотношение уровней обнаруженных спектральных компонент сигнала может быть различным.

В рамках теории статистической радиотехники пеленгование ИРИ должно выполняться независимо от соотношения уровней спектральных компонент принимаемого сигнала на основе элементов вычисленной матрицы взаимных энергий спектральных отсчетов, накопленной по всем обнаруженным и идентифицированным по принадлежности к сигналу данного ИРИ спектральным компонентам сигнала.

Рассмотрим случай приема плоской монохроматической радиоволны с помощью N-канального моноимпульсного ОП с АС произвольной конфигурации. Будем полагать, что выходы АС подключены к соответствующим входам – канального радиоприемного устройства, осуществляющего синхронное чтение входной реализации всеми приемными каналами.

Задача обнаружения-пеленгования в рамках теории статистической радиотехники может быть сформулирована как задача проверки статистических гипотез о наличии (гипотеза ) либо отсутствии (гипотеза ) информации о сигнале ИРИ в наблюдаемых данных. В результате максимизации функций правдоподобия наблюдаемых данных решающая функция пеленгования (в рассматриваемом случае – угловой спектр) должна вычисляться для каждого i-го сигнала в соответствии с выражением:

, (5)

где – накопленная по спектральным отсчетам i-го сигнала взаимная энергия между пространственными каналами с порядковыми номерами и;

. (6)

Накопление взаимных энергий спектральных компонент сигнала, выполняемое по формуле (6), инвариантно к начальным фазам образующих сигнал спектральных компонент ввиду вычисления взаимных и канальных энергий по каждой компоненте. Так как фаза взаимных энергий зависит от направления прихода радиоволны, то суммирование взаимных энергий для отсчетов сигнала одного и того же ИРИ обеспечивает синфазное сложение сигнальных составляющих и повышение результирующего отношения сигнал/шум (ОСШ).

Предлагаемый способ повышения точности и достоверности пеленгования при накоплении спектральных компонент сигналов источников радиоизлучения предполагает выполнение следующих операций.

1. Когерентный прием сигналов, одновременно попадающих в текущую полосу приема, когерентный перенос на более низкую частоту, синхронное преобразование временных реализаций в цифровую форму.

2. Синхронную регистрацию принятых одночастотных и многочастотных сигналов и образованных, всеми входящими в N-элементную решетку антеннами, в полосе приема, во много раз превышающей ширину спектра одиночного сигнала передатчика, восстановление с использованием преобразования Фурье комплексных временных спектров синхронно зарегистрированных сигналов опорной и каждой n-й антенны, где n=1…N, предполагающий формирование из восстановленных комплексных временных спектров сигналов опорной и каждой n-й антенны взаимных спектральных плотностей

,

и комплексных коэффициентов взаимной корреляции спектральной плотности на каждой частоте f принятых сигналов со спектральными плотностями на всех остальных частотах полосы приема по формуле

,

после чего вычисляют модуль данных комплексных коэффициентов взаимной корреляции и сравнивают его значение с фиксированным порогом корреляции. Сигналы с частотами, на которых превышен порог, объединяют в i-й сигнал и идентифицируют его как обнаруженный сигнал, принадлежащий одному передатчику с полосой частот δf_i,, образованной идентифицированными к данному сигналу спектральными компонентами.

3. По каждому i-му сигналу в полосе частот δf_i, вычисляют накопленные по спектральным отсчетам сигнала взаимные энергии между всеми парами пространственных каналов с порядковыми номерами и;

, (7)

используя которые определяют квадрат модуля двумерного углового спектра сигналов по формуле

, (8)

где – диаграмма направленности n-й антенны;

m = 0...М-1 – текущий номер узла сетки по азимуту;

М - число узлов по азимуту;

h = 0...Н-1 – текущий номер узла сетки наведения решетки по углу места;

Н - число узлов по углу места;

 – модельная фазирующая функция, зависящая от конфигурации антенной решетки,

и по максимумам определяют азимутальные α_m0 и угломестные β_h0 пеленги i-х сигналов передатчиков, обнаруженных в полосе приема.

Технический результат способа обеспечивается тем, что при формировании углового спектра используются накопленные по спектральным отсчетам сигнала взаимные энергии между всеми парами пространственных каналов обнаружителя-пеленгатора, что из-за инвариантности взаимных энергий к начальным фазам спектральных компонент обеспечивает синфазное сложение сигнальных спектральных составляющих и повышение результирующего отношения сигнал/шум (ОСШ).

Блок-схема устройства для реализации предлагаемого способа представлена на фиг. 1, где обозначено:

1 - многоканальная антенная система;

2 - многоканальное радиоприемное устройство;

3 - многоканальный аналого-цифровой преобразователь (АЦП);

4 - многопроцессорный вычислитель.

Устройство содержит многоканальную антенную систему 1, состоящую из n=1...N антенных элементов, объединенных в антенную решетку. Каждый элемент (антенна) решетки соединен с соответствующим входом многоканального радиоприемного устройства 2, N выходов которого соединены с соответствующими входами многоканального АЦП 3, N выходов которого соединены с соответствующими входами многопроцессорного вычислителя 4, N выходов которого являются выходами устройства. Многоканальное радиоприемное устройство 2 выполнено с общим гетеродином и с полосой пропускания каждого канала, во много раз превышающей ширину спектра одиночного сигнала передатчика. Общий гетеродин обеспечивает многоканальный когерентный прием сигналов. Широкая полоса пропускания каналов устройства 2 необходима для одновременной многочастотной регистрации сигналов многих передатчиков. Многопроцессорный вычислитель 4 обеспечивает параллельную обработку многочастотных сигналов, принимаемых всеми N антеннами решетки.

Устройство работает следующим способом.

Многочастотные временные сигналы с N-выходов антенной системы (n=1…N), поступают на входы радиоприемного устройства 2, где в полосе приема, во много раз превышающей ширину спектра одночастотного сигнала передатчика, когерентно переносятся на более низкую частоту. С помощью аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 3 сигналы синхронно преобразуются в цифровые сигналы , где – n- номер антенного элемента, а z – номер временного отсчета сигнала, и синхронно регистрируются в многопроцессорном вычислителе 4.

В вычислителе 4 выполняются следующие действия:

– восстановление с использованием преобразования Фурье комплексных временных спектров сигналов каждой n-й антенны;

– формирование из восстановленных комплексных временных спектров сигналов опорной и каждой n-й антенны взаимных спектральных плотностей по формуле (1) и комплексных коэффициентов взаимной корреляции спектральной плотности на каждой частоте f принятых сигналов со спектральными плотностями на всех остальных частотах полосы приема по формуле (2)

– вычисление накопленных по спектральным отсчетам сигнала взаимных энергий по формуле (7), используя которые определяют квадрат модуля двумерного углового спектра сигналов по формуле (8) и по максимумам определяют азимутальные α_m0 и угломестные β_h0 пеленги i-х сигналов передатчиков, обнаруженных в полосе приема.

Результаты моделирования предлагаемого способа повышения точности и достоверности пеленгования при накоплении спектральных компонент сигналов источников радиоизлучения. На фиг. 2 представлены результаты статистического моделирования (измеренные пеленги и их гистограммы) для пеленгования радиоволн с помощью ОП с «невзаимодействующей» семиэлементной эквидистантной кольцевой антенной решеткой (ЭКАР). Моделировалось падение плоской радиоволны с азимутального направления 180 град. на двух частотах, соответствующих отношению радиуса ЭКАР к длине волны = 0,5 и 0,505 соответственно. Аддитивный шум предполагался гауссовским с нулевой средней одинаковой интенсивностью в каналах ОП и диагональной матрицей ковариации. Пеленг вычислялся в результате глобальной максимизации углового спектра (5), накопление спектральных компонент выполнялось по формуле (6). ОСШ первого спектрального отсчета соответствовало 12 дБ, второго – 7 дБ. Фиг.2а соответствует результатам пеленгования по первому спектральному отсчету, Фиг.2б – по второму отсчету, Фиг.2в – результатам пеленгования при накоплении взаимных энергий по двум спектральным отсчетам.

Видно, что накопление взаимных энергий спектральных компонент сигналов источников радиоизлучения в соотвесттвии с формулой (6) обеспечивает повышение точности и достоверности пеленгования. Исследования показали, за счет накопления взаимных энергий спектральных компонент сигналов источников радиоизлучения обеспечивается снижение вероятности аномальной и дисперсии нормальной ошибок пеленгования.

На фиг. 3 представлена рассчитанная по результатам моделирования зависимость средней квадратической ошибки (СКО) пеленгования от отношения . Кривая 1 соответствует результатам пеленгования по второму спектральному отсчету, кривая 2 – по первому, кривая 3 – результатам пеленгования с накоплением взаимных энергий спектральных компонент.

Результаты моделирования подтвердили, что предлагаемый способ накопления спектральных компонент сигнала обеспечивает уменьшение результирующей СКО пеленгования и аддитивное увеличение результирующего ОСШ при накоплении всех межканальных взаимных энергий в соотвесттвии с формулой

, (9)

где – ОСШ, соответствующее спектральной компоненте сигнала на частоте .

Достигаемый технический результат – повышение точности и достоверности пеленгования источников радиоизлучения, проявляющийся в уменьшении среднеквадратической ошибки и вероятности аномальной ошибки пеленгования.