Способ контроля излучения источника в заданном направлении

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

Известны способы контроля источников радиоизлучения, основанные на азимутальном пеленговании ИРИ, представленные в [1], в которых рассматривается задача идентификации в одноэтапном варианте непосредственно по сигналам антенн . Сигналы принимаются на фоне независимых шумов одинаковой дисперсией σ² в каналах приема и одинаковой интенсивности. Правило идентификации ИРИ в шумах известной и неизвестной интенсивности предполагает сравнение решающих статистик с пороговым уровнем h:

, (1)

, (2)

где:

– максимального значения углового спектра принятых сигналов,

Z(θ₀)– значения углового спектра принятых радиосигналов с заданного направления,

θ – направление азимута на ИРИ,

E – суммарная энергия принятых радиосигналов,

h – порог, выбираемый исходя из критерия Неймана-Пирсона, обеспечивающий требуемую вероятность правильной идентификации.

Однако указанные способы контроля излучения источника в заданном направлении предполагают выполнение процедуры пеленгования, что требует значительных вычислительных затрат и приводит к снижению быстродействия систем радиоконтроля.

Наиболее близким к представленному, является способ [2], принятый далее в качестве прототипа, предполагающий оценивание значения глобального максимума углового спектра и измерение значения углового спектра принятых радиосигналов с заданного направления и сравнение с порогом, по результатам чего судят о приходе радиоизлучения с заданного направления.

Данный способ предполагает выполнение следующих процедур:

1. Прием радиоизлучения с помощью N антенн и N-канального приемного устройства.

2. Синхронное преобразование радиосигналов всех каналов приема с получением их квадратурных составляющих, перемножение отсчетов радиосигналов на их сопряженные значения, накопление результатов перемножения за время наблюдения по совокупности антенн. Мгновенное значение радиосигнала n-й антенны ( в момент времени τ=0,1,2,…) представляет собой смесь принятого радиосигнала ИРИ и шума:

(3)

где – комплексная огибающая радиосигнала в фазовом центре антенной решетки,

θ_n, β_n – азимут и угол места, соответственно, направления на ИРИ,

– вектор аддитивного шума.

3. Вычисление значений энергий и взаимной энергий радиосигналов принятых антеннами по формулам

, (4)

(5)

4. Измерение значений углового спектра принятых радиосигналов с заданного направления путем взвешенного суммирования энергии и взаимной энергии с весами, определяемыми характеристиками направленности антенн по формуле

, (6)

где – комплексный коэффициент направленности n-й антенны,

E_n – энергия радиосигнала, принятого n-й антенной,

– взаимная энергия радиосигналов, принятых антеннами n и .

5. Вычисление максимального значения углового спектра по возможным направлениям прихода радиоволны по формуле

(7)

6. Вычисление значения углового спектра с заданного направления прихода радиоволны по формуле

(8)

7. Формирование решающей статистики как отношения разности суммарной энергии сигналов E и максимального значения углового спектра Z(θ_max, β_max) к разности суммарной энергии и значения углового спектра принятых радиосигналов с заданного направления Z(θ₀, β₀):

(9)

E – суммарная энергия принятых радиосигналов,

Z(θ_max, β_max) – максимального значения углового спектра принятых сигналов,

Z(θ₀, β₀) – значения углового спектра принятых радиосигналов с заданного направления.

8. Сравнение решающей статистики Λ с порогом h.

9. Принятие решения о наличии радиоизлучения с заданного направления в случае выполнения неравенства

Λ > h . (10)

Если порог h превышен, принимают решение о наличии радиоизлучения с заданного (эталонного) направления, в противном случае – о приходе радиоизлучения с направления, отличного от эталонного.

Основными недостатками прототипа являются следующие:

1. Решающая статистика (9) способа справедлива, когда антенны обнаружителя-пеленгатора являются идентичными и ненаправленными, а их диаграммы направленности имеют единичную амплитуду, не зависящую от направления прихода радиоволны ИРИ, описываются функциями вида

, (11)

где R – радиус антенной системы,

λ_n – длина волны излучения,

ϕ_l(θ, β) – фазирующая функция, зависящая от параметров конфигурации антенной системы,

θ – азимут направления на источник,

i – мнимая единица.

В общем случае при наличии взаимных влияний в антенной системе обнаружителя-пеленгатора, а также в случае использования амплитудно-направленных антенных элементов выражение (9) для решающей статистики становится не справедливым, что приводит к ухудшению показателей эффективности прототипа.

2. Выражение (9) для решающей статистики обнаружения не учитывает наличие межканальной корреляции спектральных отсчетов временных реализаций, обусловленных наличием в реальных условиях приема радиосигналов внешних помех.

3. Для технической реализации способа прототипа необходимо обеспечить согласованный прием сигнала контролируемых ИРИ с шириной их спектра. Однако большинство современных обнаружителей-пеленгаторов являются широкополосными, с полосой мгновенного анализа на несколько порядков превышающих ширину сигнала, что требует реализации дополнительной процедуры поиска и обнаружения сигнала в спектральной области. Использование узкополосного приемника для решения задачи контроля приводит к существенному усложнению аппаратуры.

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является повышение эффективности контроля ИРИ с помощью многоканальных моноимпульсных обнаружителей-пеленгаторов.

Достигаемый технический результат – повышение эффективности идентификации сигналов источника радиоизлучения за счет стабилизации уровня правильной идентификации и снижения уровня ложной идентификации источников радиоизлучения, расположенных вблизи заданного направления в реальных условиях неизвестной интенсивности шума и различии амплитуд принятых сигналов с выходов антенн с произвольными характеристиками направленности антенных элементов.

В результате решения поставленной задачи предлагаемый способ контроля излучения источника в заданном направлении включает выполнение следующих процедур:

1. Прием радиоизлучения с помощью N антенн и N-канального приемного устройства.

2. Синхронное преобразование радиосигналов всех каналов приема с получением их квадратурных составляющих, перемножение отсчетов радиосигналов на их сопряженные значения, накопление результатов перемножения за время наблюдения по совокупности антенн. Мгновенное значение радиосигнала n-й антенны ( в момент времени τ=0,1,2,…) представляет собой смесь принятого радиосигнала источника радиоизлучения и шума:

где – комплексная огибающая радиосигнала в фазовом центре антенной решетки,

θ_n, β_n – соответственно азимут и угол места направления на источник излучения,

– вектор аддитивного гауссовского шума с матрицей коэффициентов корреляции (в случае некоррелированного шума матрица становится диагональной единичной).

3. Вычисление значений энергий (4) и взаимной энергий (5) радиосигналов принятых антеннами по формулам

4. Для каждого контролируемого частотного участка выделяемой полосы мгновенного анализа, подлежащего идентификации, выполняется формирование величин (4)-(9), измерение значений углового спектра принятых радиосигналов с заданного направления, с учетом межканальной корреляции спектральных отсчетов временных реализаций по формуле

, (12)

где – матрица взаимных энергий, накопленная по спектральным компонентам радиосигнала, с элементами , .

5. Вычисление максимального значения углового спектра Z(θ_max,β_max) по возможным направлениям прихода радиоволны:

, (13)

где tr(^⋅) – оператор следа матрицы (сумма диагональных элементов), .

6. Вычисление значения углового спектра Z(θ₀, β₀) с заданного направления прихода радиоволны:

(14)

7. Формирование решающей статистики как отношения разности следа от произведения матрицы взаимных энергий на обратную матрицу коэффициентов корреляции шума () и максимального значения углового спектра к разности следа от и значения углового спектра принятых радиосигналов с заданного направления

, (15)

где Z(θ_max, β_max) – максимальные значения углового спектра принятых сигналов,

Z(θ₀, β₀) – значения углового спектра принятых радиосигналов с заданного направления.

8. Сравнение решающей статистики Λ с порогом h.

9. Принятие решения о наличии радиоизлучения с заданного направления в случае выполнения неравенства.

Предлагаемый способ контроля излучения источника в заданном направлении лишен перечисленных выше недостатков прототипа, а именно:

1. Решающая статистика (15) предлагаемого способа справедлива в случае антенной системы с произвольной структурой и характеристиками направленности антенных элементов, в частности в используемом в прототипе предположении, когда антенны обнаружителя-пеленгатора являются идентичными и ненаправленными. Это позволяет использовать предлагаемый способ в реальных условиях функционирования обнаружителей-пеленгаторов, когда имеют место взаимные влияния антенн друг на друга.

2. Выражение (15) для решающей статистики контроля излучения источника в заданном направлении предлагаемого способа учитывает наличие межканальной корреляции спектральных отсчетов временных реализаций, обусловленных наличием в реальных условиях внешних помех, что позволяет при разработке обнаружителей-пеленгаторов проводить анализ достижимых показателей эффективности обнаружения сигналов ИРИ в условиях насыщенной электромагнитной обстановки, а также учитывать наличие корреляции помех в реальных условиях функционирования обнаружителей-пеленгаторов.

3. Прием сигнала осуществляется в широкой полосе частот мгновенного анализа, что дает возможность одновременного контроля нескольких ИРИ в заданных направлениях.

4. В случае выполнения неравенства (10) (принятие решения о наличии радиоизлучения с заданного направления) накопление матрицы взаимных энергий в каждом измерении комплексных амплитуд сигналов выполнятся по правилу , ( – матрица взаимных энергий, накопленная по результатам предыдущих процедур идентификации; – матрица взаимных энергий, вычисленная при выполнении текущей процедуры идентификации источника радиосигнала с заданного направления), что повышает вероятность правильной идентификации излучения источника с заданного направления за счет увеличения содержащегося в наблюдаемых данных объема информации о радиосигнале контролируемого ИРИ.

Предложенный способ обеспечивает повышение эффективности идентификации за счет стабилизации уровня правильной идентификации и снижение уровня ложной идентификации источников радиоизлучения, расположенного вблизи заданного направления, а также при неизвестной интенсивности шума.

Схема для реализации предлагаемого способа представлена на фиг. 1. Устройство, реализующее предложенный способ, содержит:

1.1-1.N – многоканальная антенная система,

2 – радиоприемное устройство,

3 – измеритель энергии,

4 – блок определения модуля,

5 – коммутатор,

6 – запоминающее устройство (ЗУ),

7 – анализатор углового спектра,

8 – устройство определения максимума,

9.1, 9.2 – запоминающие ячейки,

10 – накапливающий сумматор,

11 – решающее устройство,

12 – аналого-цифровой преобразователь (АЦП),

13 – оперативное запоминающее устройство,

14.1, 14.2 – умножители,

15.1, 15.2 – накапливающие сумматоры.

Устройство работает следующим образом.

Антенны 1.1…1.N подключены к входам радиоприемного устройства 2 и через его выход к входам измерителя энергии 3, первый выход которого через блок определения модуля 4 соединен с первым входом коммутатора 5 и непосредственно со вторым его входом. Выход коммутатора 5 подключен к первому входу анализатора многосигнального углового спектра 7, ко второму входу которого подключен второй выход измерителя энергии 3, а к третьему входу – выход запоминающего устройства 6. Выход анализатора многосигнального углового спектра 7 соединен с входом устройства определения максимума 8 и входом запоминающей ячейки 9.1. Устройство определения максимума 8 своим выходом подключено к входу запоминающей ячейки 9.2. Второй выход измерителя энергии 3 соединен с входом накапливающего сумматора 10. Выходы запоминающей ячейки 9.1, запоминающей ячейки 9.2 и накапливающего сумматора 10 подключены соответственно к первому, второму и третьему входам решающего устройства 11. Аналого-цифровой преобразователь 12 в составе измерителя энергии 3 со стороны выходов соединен с соответствующими входами оперативного запоминающего устройства 13, первый выход которого подключен к первому входу умножителя 14.1, а второй – ко второму входу умножителя 14.1, первому и второму входу умножителя 14.2, выход умножителя 14.1 соединен с входом накапливающего сумматора 15.1, а выход умножителя 14.2 – с входом накапливающего сумматора 15.2. Выходы накапливающих сумматоров 15.1, 15.2 являются первым и вторым выходами измерителя энергии 3, а выходы решающего устройства 11 – выходом устройства в целом. Еще по одному выходу накапливающих сумматоров 15.1 и 15.2 могут использоваться дополнительно.

Число антенн 1.1, 1.2 … 1.N составляет N ≥ 3. Радиоприемное устройство 2 многоканальное, число каналов равно числу антенн N. Измеритель энергии 3 обеспечивает измерение энергии радиосигналов, принятых каждой антенной, и взаимной энергии радиосигналов пар различных антенн. Аналого-цифровой преобразователь 12 в составе измерителя энергии 3 рассчитан на синхронное преобразование радиосигналов всех каналов приема с получением их квадратурных составляющих с записью результатов в оперативное запоминающее устройство 13. Анализатор углового спектра 7 обеспечивает измерение значений углового спектра по формуле (14).

Устройством определения максимума 8 вычисляется максимальное по возможным направлениям прихода радиоволн значение по формуле (15) и фиксируется в запоминающей ячейке 9.2. Измеренное значение многосигнального углового спектра в заданном направлении M₀(θ_k, β_k) заносится в запоминающую ячейку 9.1 в момент поступления его с выхода анализатора многосигнального углового спектра 7. По результатам выполненных измерений в решающем устройстве 11 определяют разность следа (суммы диагональных элементов) квадрата нормированной матрицы взаимных энергий и максимального значения многосигнального углового спектра, разность квадрата следа данной матрицы и значения многосигнального углового спектра принятых радиосигналов с заданных направлений, а также отношение этих разностей с образованием решающей статистики по формуле (17). На завершающей стадии отношение разностей сравнивают с порогом, формула (18). Если порог h превышен, принимают решение о приходе радиоизлучения с заданных направлений, а в противном случае о приходе радиоизлучения с направлений, отличных от эталонных.

РЕАЛИЗАЦИЯ

На фиг. 2, 3 представлены результаты статистического моделирования для семиэлементной (N = 7) эквидистантной кольцевой антенной решетки при отношении радиуса ЭКАР к длине волны R/λ = 1 и отношении сигнал/шум (ОСШ) 10 дБ. Анализ статистических характеристик распределения обеих решающих статистик, вычисленных по формулам (9) и (15) был проведен в пакете моделирования Matlab. При статистическом моделировании число статистических испытаний выбиралось равным 10⁸, количество накоплений взаимных спектров сигналов полагалось равным 3.

В каждом статистическом эксперименте по одинаковым исходным данным вычислялись величины, соответствующие решающим статистикам прототипа (12):

и предложенного изобретения (7):

.

Одним из отличительных признаков прототипа, является учет влияния межканальной корреляции аддитивного шума на решающую статистику способа. В качестве примера, при проведении моделирования формировался коррелированный вектор гауссовского шума с матрицей коэффициентов корреляции, элементы которой имеют вид

.

Матрица Q имеет вид:

(14)

С целью учета возможного в реальных условиях приема различия амплитуд сигналов, принимаемых различными антеннами, амплитуды в каналах приемника изменялись по закону

.

На фиг. 2-4 приведены зависимости вероятности идентификации источника излучения к эталону от углового расстояния до него ΔΘ (ΔΘ – угловое расстояние до ИРИ), с шагом ΔΘ = 1 градус. Кривая № 1 (сплошная линия) соответствует прототипу контроля ИРИ с заданного направления (по формуле (12)), кривая № 2 (пунктирная линия) – соответствует предлагаемому способу (по формуле (9)). На фиг. 2 приведены зависимости для АС с идентичными ненаправленными АЭ. Порог принятия решения об отождествлении принимаемого сигнала ИРИ с контролируемым для обеспечения вероятности правильной идентификации 0,97 равен 0,55 для сравнения с решающей статистикой, сформированной по формуле (7), и равен 0,4 – для сравнения со статистикой (9).

На фиг. 3 приведены зависимости для АС с идентичными направленными АЭ. Порог принятия решения об отождествлении принимаемого сигнала ИРИ с контролируемым, для обеспечения вероятности правильной идентификации 0,97 равен 0,7 для сравнения с решающей статистикой, сформированной по формуле (7), и равен 0,45 – для сравнения со статистикой (9).

Из представленных зависимостей видно, что в сравнении с прототипом предлагаемый способ контроля излучения источника в заданном направлении при одинаковой вероятности правильной идентификации и фиксированном отношении сигнал/шум обеспечивает меньшую вероятность идентификации в случае, если направление прихода предполагаемого сигнала отличатся от контролируемого направления. И наоборот, при одинаковой вероятности ложной идентификации предложенный способ обеспечивает требуемую вероятность правильной идентификации при меньшем (по сравнению с прототипом) отношении сигнал/шум, что обеспечивает повышение показателей эффективного контроля ИРИ в условиях реальной насыщенной электромагнитной обстановки.

На фиг. 4 приведены зависимости вероятности P идентификации источника излучения к эталону от углового расстояния до него ΔΘ для АС с идентичными ненаправленными АЭ и единичной диагональной матрицей коэффициентов корреляции при отношении радиуса ЭКАР к длине волны R/λ = 1 и различном ОСШ: 15 дБ – кривая № 1, 10 дБ – кривая № 2, 5 дБ – кривая № 3.

На фиг. 5 приведены зависимости вероятности P идентификации источника излучения к эталону от углового расстояния до него ΔΘ для АС с идентичными ненаправленными АЭ и единичной матрицей коэффициентов корреляции при ОСШ равном 15 дБ и различном отношении радиуса ЭКАР к длине волны: R/λ = 0,3 – кривая № 1, R/λ = 0,5 – кривая № 2, R/λ = 1 – кривая № 3.

Порог принятия решения об отождествлении принимаемого сигнала ИРИ с контролируемым для обеспечения вероятности правильной идентификации 0,95, при моделировании зависимостей 4-5, принимался равным 0,45.

Разрешающая способность способа контроля излучения источника в заданном направлении зависит как от отношения сигнал/шум, так и от отношения радиуса ЭКАР к длине волны. Из зависимостей 4-5 видно, что вероятность правильной идентификации источника с заданного направления увеличивается с ростом отношений сигнал/шум и R/λ.

Предлагаемый способ контроля излучения источника в заданном направлении обеспечивает повышение эффективности идентификации нескольких источников частотно-неразделимых сигналов за счет стабилизации уровня правильной идентификации и снижения уровня ложной идентификации источников радиоизлучения, расположенных вблизи заданных направлений в реальных условиях неизвестной интенсивности шума и различии амплитуд принятых сигналов с выходов антенн с произвольными характеристиками направленности антенных элементов. Способ справедлив для антенных систем с произвольной структурой и характеристиками направленности антенных элементов, в результате чего обеспечивается инвариантность решающей статистики к изменению соотношений уровней сигналов в каналах, в том числе обусловленных взаимными влияниями в антенной системе.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Уфаев В.А. Способы определения местоположения и пространственной идентификации источников радиоизлучений, М.: Воронеж, 2017. с.235-239.

2. Патент РФ №2294546 «Способ идентификации радиоизлучения» / Уфаев В.А., 2005.