Код документа: RU2716006C2
Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах контроля наземного, морского и воздушного пространства с использованием прямых и рассеянных объектами радиосигналов, излучаемых множеством неконтролируемых и контролируемых передатчиков радиоэлектронных систем различного назначения.
Технология скрытного дистанционного контроля подвижных объектов, использующая естественный радиоподсвет целей, создаваемый на множестве частот радиоизлучениями передатчиков различного назначения, пока еще не получила достаточного распространения, несмотря на то, что может существенно повысить скрытность и эффективность обнаружения, пространственной локализации и сопровождения широкого класса радиомолчащих подвижных объектов.
Известен способ дистанционного обнаружения и сопровождения радиомолчащих объектов [1], заключающийся в том, что выбирают передатчик, излучающий радиосигнал с расширенным спектром, синхронно принимают решеткой из N антенн многолучевые радиосигналы, включающие прямой радиосигнал передатчика и рассеянные объектами радиосигналы этого передатчика, синхронно преобразуют принятые антеннами радиосигналы в цифровые сигналы, которые объединяют в матричный цифровой сигнал, матричный цифровой сигнал запоминают и преобразуют в сигнал пространственной корреляционной матрицы, который совместно с зависящим от азимутально-угломестного направления приема прямого радиосигнала, длины волны и геометрии решетки сигналом вектора наведения преобразуют в сигнал оптимального весового вектора, который совместно с матричным цифровым сигналом преобразуют в прямой цифровой сигнал, который запоминают, формируют и запоминают зависящие от временного сдвига комплексные взаимно корреляционные функции (ВКФ) между цифровым сигналом отдельной антенны и прямым цифровым сигналом, определяют максимальное значение модуля каждой комплексной ВКФ и фиксируют соответствующие этим максимумам значения комплексной ВКФ, вычисляют разностные цифровые сигналы, формируют зависящие от временного и частотного сдвигов комплексные двумерные взаимно корреляционные функции (ДВКФ) между каждым разностным цифровым сигналом и прямым цифровым сигналом, усредняют модули комплексных ДВКФ, определяют по максимумам усредненной ДВКФ число сжатых сигналов и фиксируют значения задержки по времени и абсолютного доплеровского сдвига каждого р-го сжатого сигнала, идентифицируют соответствующие отдельному максимуму усредненной ДВКФ составляющие комплексных ДВКФ как сжатый по времени и частоте р-й сигнал, выделяют и запоминают значения составляющих комплексных ДВКФ, задержки по времени и абсолютного доплеровского сдвига каждого р-го сжатого сигнала, по выделенным значениям р-ых идентифицированных составляющих комплексных ДВКФ синтезируют комплексный двумерный угловой спектр, по максимумам модуля которого определяют азимутально-угломестное направление прихода р-го сжатого сигнала, по значениям задержки и абсолютного доплеровского сдвига и азимутально-угломестного направления прихода обнаруживают и определяют пространственные координаты подвижных объектов.
Данный способ содержит операции формирования классической двумерной взаимной корреляционной функции, которая, кроме основного лепестка, ширина которого ограничивает разрешающую способность обнаружения, содержит высокие боковые лепестки, маскирующие сигналы далеких и слабо рассеивающих объектов.
Более эффективным является способ дистанционного обнаружения и сопровождения радиомолчащих объектов [2], свободный от этого недостатка и выбранный в качестве прототипа. Согласно этому способу:
выбирают передатчик, излучающий радиосигнал с расширенным спектром;
синхронно принимают решеткой из N антенн многолучевые радиосигналы, включающие прямой радиосигнал передатчика и рассеянные объектами радиосигналы этого передатчика;
синхронно преобразуют принятые антеннами радиосигналы в цифровые сигналы sn, где n - номер антенны, которые запоминают и объединяют в цифровой матричный сигнал
преобразуют прямой сигнал s' в многочастотный матричный сигнал комплексной фазирующей функции А, включающий гипотетические сигналы, рассеиваемые потенциальными объектами в ожидаемых областях доплеровских частот и задержек, запоминают матричный сигнал А;
преобразуют сигнал отдельной антенны sn в сигнал комплексного частотно-временного изображения
сигнал
после чего усредняют модули текущих частотно-временных изображений отдельных антенн
по локальным максимумам усредненного частотно-временного изображения
идентифицируют соответствующие отдельному максимуму усредненного изображения
выделяют и запоминают значения идентифицированных составляющих
Способ-прототип обеспечивает обнаружение и пространственную локализацию радиомолчащих объектов с повышенной разрешающей способностью и увеличенным динамическим диапазоном.
Однако, у способа-прототипа на этапе обнаружения применяются операции некогерентного суммирования сигналов двумерных частотно-временных изображений, когерентно сформированных из сигналов отдельных антенн решетки. Другими словами, у способа-прототипа на этапе обнаружения не используется пространственная избирательность, характерная для случая когерентного суммирования сигналов всех антенн в антенных решетках, что приводит к следующим недостаткам способа-прототипа:
- потере чувствительности на 3 дБ при обнаружении, измерении пространственных координат и сопровождении объектов в условиях некоррелированности шумов и помех;
- дополнительному снижению чувствительности при наличии расположенных в окружающем пространстве источников коррелированных помех (например, сигналов передатчиков, частоты радиоизлучений которых совпадают с частотой приема рассеянных объектами сигналов).
Кроме того, у способа-прототипа отсутствуют операции компенсации прямого сигнала подсвета и рассеянных стационарными объектами сигналов. Как следствие, прямой сигнал и рассеянные стационарными объектами сигналы маскируют эхо-сигналы малоразмерных низкоскоростных объектов, что дополнительно ограничивает чувствительность и, как следствие, дальность при их обнаружении и сопровождении.
Таким образом, недостатком способа-прототипа является ограниченная чувствительность при обнаружении и сопровождении радиомолчащих объектов.
Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности при обнаружении и сопровождении радиомолчащих объектов.
Повышение чувствительности достигается за счет применения новых операций:
- компенсации помех, маскирующих эхо-сигналы объектов;
- когерентного формирования на каждой ожидаемой частоте доплеровского сдвига элементов трехмерного пространственно-частотно-временного изображения из сигналов всех антенн решетки вместо формирования из сигналов отдельных антенн совокупности двумерных частотно-временных изображений и последующего их некогерентного суммирования.
Технический результат достигается тем, что в способе дистанционного обнаружения и сопровождения радиомолчащих объектов, заключающемся в том, что выбирают передатчик, излучающий радиосигнал с расширенным спектром, синхронно принимают решеткой из N антенн многолучевые радиосигналы, включающие прямой радиосигнал передатчика и рассеянные объектами радиосигналы этого передатчика, синхронно преобразуют принятые антеннами радиосигналы в цифровые сигналы sn, где n - номер антенны, которые запоминают и объединяют в цифровой матричный сигнал
Устройство, в котором реализуется предложенный способ, содержит последовательно соединенные систему приема и предварительной обработки 1, систему моделирования и выбора радиопередатчиков (РПД) 2, вычислительную систему 3 и блок управления и индикации 4.
В свою очередь система приема и предварительной обработки 1 включает антенную решетку 1-1, тракт поиска источников подсвета, включающий преобразователь частоты 1-2, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 1-3 и устройство обнаружения 1-4, а также тракт приема прямых и рассеянных сигналов, включающий преобразователь частоты 1-5, АЦП 1-6 и устройство адаптивной пространственной фильтрации 1-7. Вычислительная система 3 включает блок синтеза частотно-временного изображения 3-1, блок сравнения 3-2, устройство формирования вспомогательного и взвешивающего сигнала 3-3 и блок формирования сигнала фазирующей функции 3-4. При этом система 2 соединена с входом блока 4, а также имеет интерфейс для соединения с внешней базой РПД. Кроме того, блок 4 имеет выход, предназначенный для подключения к внешним системам. Подсистема 1 является аналогово-цифровым устройством и предназначена для поиска и измерения параметров синхронизации передатчиков подсвета объектов, излучающих радиосигналы с расширенным спектром, а также для адаптивной пространственной фильтрации полезных прямых и рассеянных радиосигналов. Отметим, что после того как параметры синхронизации прямого радиосигнала выбранного передатчика подсвета измерены или когда они априорно известны, прямой радиосигнал передатчика может быть сформирован путем моделирования в системе 2.
Антенная решетка 1-1 состоит из N антенн с номерами
Устройство работает следующим образом.
В системе 2 на основе данных внешней базы радиопередатчиков, а также данных об обнаруженных радиопередатчиках подсвета, поступающих от устройства 1-4, с использованием программных средств моделирования идентифицируется, выбирается и периодически обновляется рабочий список передатчиков, излучающих радиосигналы с расширенным спектром. При моделировании оцениваются возможные зоны покрытия, вероятности обнаружения и достижимые точности локализации и идентификации подвижных объектов различного класса, которые могут быть обеспечены при различных вариантах размещения передатчиков относительно станции обнаружения-пеленгования. Кроме того, в системе 2 регенерируются принятые прямые радиосигналы или формируются модельные сигналы передатчиков с требуемыми параметрами синхронизации.
Параметры выбранного множества передатчиков (номер, несущая частота, ширина спектра, его форма, параметры синхронизации и мощность излучаемого сигнала, координаты или расстояние и угловое положение относительно точки приема) запоминаются в подсистеме 2, поступают в блок 4, а также используются для настройки преобразователей 1-2 и 1-5. С целью упрощения, цепи управления преобразователем не показаны.
По сигналам системы 2 преобразователь частоты 1-2 начинает перестраиваться с заданным темпом в заданном диапазоне частот поиска радиосигналов, например, в диапазоне 10-1000 МГц. При этом тракт поиска осуществляет поиск и измерение параметров синхронизации передатчиков подсвета, излучающих радиосигналы с расширенным спектром, на дискретной сетке частот поиска. Принятый каждым антенным элементом с номером n антенной решетки 1-1 зависящий от времени t радиосигнал фильтруется по частоте и переносится на более низкую частоту в преобразователе 1-2. Сформированные в преобразователе 1-2 радиосигналы преобразуется с помощью АЦП 1-3 в цифровые сигналы, которые поступают в устройство обнаружения 1-4, в котором на каждой частоте дискретной сетки частот поиска осуществляется обнаружение и измерение параметров синхронизации передатчиков подсвета. Функционирование устройства обнаружения 1-4 основано на широко известных способах радиоконтроля, например, [3].
Одновременно по сигналам системы 2 преобразователь частоты 1-5 перестраивается на заданную частоту приема. Тракт приема синхронно принимает на заданной частоте многолучевые радиосигналы, включающие прямой радиосигнал выбранного передатчика с расширенным спектром и рассеянные объектами радиосигналы этого передатчика.
Принятый каждым антенным элементом с номером п антенной решетки 1-1 зависящий от времени t радиосигнал sn(t) фильтруется по частоте и переносится на более низкую частоту в преобразователе 1-5.
Сформированные в преобразователе 1-5 радиосигналы sn(t) синхронно преобразуются с помощью АЦП 1-6 в цифровые сигналы
Цифровые сигналы отдельных антенн sn поступают в устройство 1-7 и в блок 3-1, где запоминаются.
Кроме того, в устройстве 1-7 выполняются следующие действия:
- цифровые сигналы отдельных антенн sn объединяются в матричный цифровой сигнал
- из матричного цифрового сигнала S формируется N×N сигнал пространственной корреляционной матрицы R;
- сигнал корреляционной матрицы R преобразуется в N×1 сигнал оптимального весового вектора w=R_1v, где V-N×1 вектор наведения, определяемый азимутально-угломестным направлением, длиной волны (частотой) прямого радиосигнала и геометрией решетки;
- преобразуется матричный цифровой сигнал S в прямой цифровой сигнал s'T=wHS.
Физически описанные операции адаптивной пространственной фильтрации обеспечивают направленный прием полезного прямого радиосигнала выбранного передатчика подсвета с заданного направления с одновременным подавлением широкого класса помех, приходящих с других направлений. Отметим, что технически реализуемая глубина подавления помех достигает величины 40 дБ [4]. Это обеспечивает выигрыш в чувствительности при формировании слабых рассеянных сигналов на последующих этапах обработки.
Сформированный в устройстве 1-7 прямой цифровой сигнал s' поступает и запоминается в блоке 3-4.
После этого, в блоке 3-4 цифровой прямой сигнал s' преобразуется в матричные сигналы комплексной фазирующей функции Аω, которые поступают в устройство 3-3, где запоминаются.
Преобразование прямого сигнала s' в матричный сигнал Аω осуществляется по следующей формуле:
- матрица фазирующей функции по угловому направлению размером N×L. Множители
символ
- матрицы доплеровских сдвигов размером I×I, ω=0, ±1, …, ±Ω, (2Ω+1) - размер координатной сетки по доплеровскому сдвигу. Значения доплеровского сдвига частоты пробегают дискретный ряд значений ω/(ITs).
Таким образом, столбцы матрицы Аω представляют собой задержанные по времени, сдвинутые по частоте доплеровского сдвига и фазированные по направлению версии прямого сигнала s', а размер этой матрицы IN×QL определяется числом отсчетов I в разведываемом сигнале (длительностью интервала наблюдения), числом антенн N, размерами координатной сетки по временному запаздыванию Q и направлению прихода L.
Кроме того, в устройстве 3-3 из сигнала Аω последовательно вычисляются сигналы
В блоке 3-1 запомненные цифровые сигналы антенн sn объединяются в векторный сигнал
Полученный в блоке 3-1 сигнал элемента изображения
В устройстве 3-3 с использованием сигнала элемента изображения, полученного на предыдущей итерации, то есть
В блоке 3-1 с использованием сигнала
Сигнал
После чего, в устройстве 3-3, блоках 3-1 и 3-2 выполняется описанная ранее последовательность операций по формированию сигналов
При превышении номером текущей итерации порога K в устройстве 3-3, блоках 3-1 и 3-2 из запомненных сигналов
При превышении номером текущей итерации заданного порога K в блоке 3-1 сформированные сигналы элементов очищенного изображения
Отметим, что сигнал результирующего комплексного пространственно-частотно-временного изображения Н может быть трехмерным при синтезе изображения в координатах " азимут-доплеровский сдвиг частоты-задержка" или четырехмерным при синтезе изображения в координатах "азимут-угол места-доплеровский сдвиг частоты-задержка".
Объединение сигналов элементов очищенного изображения
Например, при фиксированном значении азимутально-угломестного направления приема
Матричный сигнал результирующего комплексного пространственно-частотно-временного изображения Н поступает в блок 4.
В блоке 4 вычисляются квадраты модулей
Обнаружение, пространственная локализация и сопровождение объектов осуществляется известными способами, например, [3].
Кроме того, для повышения информативности в блоке 4 отображаются результаты обнаружения, пространственной локализации и сопровождения объектов.
Из приведенного описания следует, что устройство, реализующее предложенный способ, при формировании пространственно-частотно-временных изображений эхо-сигналов объектов осуществляет компенсацию маскирующих помех и многомерную обработку сигналов всех антенн решетки, которая в части пространственной обработки сигналов эквивалентна когерентному формированию суммарной пространственной диаграммы направленности антенной решетки.
Это, по сравнению с реализованной в способе-прототипе некогерентной обработкой сигналов отдельных антенн решетки, повышает, как минимум, на 3 дБ чувствительность в условиях некоррелированности шумов и помех и улучшает помехоустойчивость и помехозащищенность при наличии расположенных в окружающем пространстве источников коррелированных помех. Как следствие, повышается дальность обнаружения и точность сопровождения широкого класса пилотируемых и беспилотных малоразмерных низкоскоростных радиомолчащих объектов.
Таким образом, за счет применения новых операций когерентного формирования на каждой ожидаемой частоте доплеровского сдвига элементов очищенного от маскирующих помех трехмерного (четырехмерного) пространственно-частотно-временного изображения эхо-сигналов объектов из сигналов всех антенн решетки, вместо операций формирования совокупности двумерных частотно-временных изображений из сигналов отдельных антенн и последующего некогерентного их суммирования, удается решить поставленную задачу с достижением указанного технического результата.
Источники информации:
1. RU, патент, 2444754, МПК G01S 13/02, 2012 г.
2. RU, патент, 2524401, МПК G01S 13/02, 2014 г.
3. Справочник по радиолокации. Под ред. М. Сколника. Нью-Йорк, 1970. Пер. с англ. (в четырех томах) под общей ред. К.Н. Трофимова. Том 4.
Радиолокационные станции и системы. Под ред. М.М. Вейсбейна, М., "Сов.радио". 1978. 376 с.
4. Ратынский М.В. Адаптация и сверхразрешение в антенных решетках. М.: Радио и связь. 2003 г.
Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах контроля наземного, морского и воздушного пространства с использованием прямых и рассеянных объектами радиосигналов, излучаемых множеством неконтролируемых и контролируемых передатчиков радиоэлектронных систем различного назначения. Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности при обнаружении и сопровождении радиомолчащих объектов. Повышение чувствительности достигается за счет применения новых операций компенсации маскирующих помех и когерентного формирования на каждой ожидаемой частоте доплеровского сдвига элементов трехмерного пространственно-частотно-временного изображения из сигналов всех антенн решетки и их объединения в результирующее изображение, вместо операций некогерентного суммирования совокупности двумерных частотно-временных изображений, сформированных из сигналов отдельных антенн. 1 ил.