Способ обнаружения и анализа радиосигналов

Способ обнаружения и анализа радиосигналов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

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: U_п1, на уровне шума, используемого в РЛС приемного устройства; U_п2, исходя из значения средней эффективной поверхности отражения (ЭПО) земной поверхности, над которой предполагается обнаружение РКО; U_п3, исходя из априорных данных о мощности помеховых сигналов; U_п4, 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 f_в и нижнюю f_н границы спектра возможных доплеровских частот отраженных от земли радиосигналов;

- находят среднее значение амплитуд U_ср принятых за N последних тактов работы РЛС радиосигналов и сравнивают его с амплитудой первого порога U_п1 и,

а) в случае выполнения условия U_cp<U_п1, принимают решение об отсутствии принятых радиосигналов (то есть среднее значение амплитуд U_ср 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 U_ср≥U_п1 считают, что обнаружен один из трех радиосигналов: помеховый либо отраженный от земли или РКО и далее анализируют его следующим образом:

- среднее значение амплитуд U_ср принятых радиосигналов сравнивают с амплитудой третьего порога U_п3 и,

а) в случае выполнения условия U_cp≥U_п3 считают принятый сигнал помеховым и процесс обнаружения отраженных от РКО радиосигналов повторяют сначала;

б) в случае выполнения условия U_cp<U_п3 анализируют принятый радиосигнал на предмет его принадлежности земле по двум признакам - энергетическому и частотному - следующим образом:

- среднее значение амплитуд U_cp принятых радиосигналов сравнивают с амплитудой второго порога U_п2 и,

а) в случае выполнения условия U_cp≥U_п2 принятый радиосигнал пропускают через фильтр с полосой пропускания Δf=f_в-f_н, 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 U_cp<U_п2 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 U_Σ накопленного радиосигнала с амплитудой четвертого порога U_п4 и в случае выполнения условия U_Σ≥U_п4 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 U_п2 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 ϕ_в 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 f_н...f_в, 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):

- U_п1 - амплитуду первого порога - на уровне шума используемого в РЛС приемного устройства;

- U_п3 - амплитуду третьего порога - исходя из априорных данных о мощности помеховых сигналов;

- U_п4 - амплитуду четвертого порога - исходя из априорных данных о величине ЭПО обнаруживаемых РКО.

Кроме этого задают:

- значение средней удельной ЭПО σ_уд 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 U_ср - среднее значение амплитуд, принятых за N последних тактов работы РЛС радиосигналов, по формуле:

где N - количество обрабатываемых в РЛС радиосигналов,

U_cn - 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 U_cp сравнивают с амплитудой первого порога U_п1 и,

а) в случае выполнения условия U_cp<U_п1 считают, что отраженные радиосигналы отсутствуют, и процесс их обнаружения повторяют сначала;

б) в случае выполнения условия U_cp≥U_п1 выполняют следующее:

- среднее значение амплитуд принятых радиосигналов U_cp сравнивают с амплитудой третьего порога U_п3 и,

а) в случае выполнения условия U_cp≥U_п3 считают, что принят помеховый сигнал, и процесс обнаружения радиосигналов повторяют сначала;

б) в случае выполнения условия U_cp<U_п3 выполняют следующее:

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

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

где V - скорость полета ЛА;

ϕ_г - угол отворота антенны в горизонтальной плоскости;

ϕ_в - угол отворота антенны в вертикальной плоскости;

θ_г - ширина ДНА РЛС в горизонтальной плоскости;

θ_в - ширина ДНА РЛС в вертикальной плоскости;

λ - длина волны;

- определяют значение амплитуды второго порога U_п2 по формуле

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

σ_уд - 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 U_cm - 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 Δf_спр 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 U_Σ больше амплитуды второго порога U_п2 и ширина спектра Δf_спр доплеровских частот принятого радиосигнала приближенно равна ширине спектра Δf_сз=f_в-f_н доплеровских частот радиосигналов, отраженных от земли. В случае, если U_Σ>U_п2, но Δf_спр<k₂·Δf_сз, где k₂ - коэффициент достоверности, считают, что принят радиосигнал, отраженный от РКО;

принят отраженный от РКО радиосигнал, если одновременно выполнены два условия: U_Σ≥U_п4 и Δf_спр<k₂·Δf_сз. В случае если U_п4<U_Σ<U_п2, но Δf_спр≈Δf_сз, 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; Д_н - наклонная дальность от ЛА до земли; Н - высота полета ЛА; ϕ_в - угол наклона антенны РЛС в вертикальной плоскости; ϕ_г - угол наклона антенны РЛС в горизонтальной плоскости; θ_в - ширина луча ДНА РЛС в вертикальной плоскости; θ_г - ширина луча ДНА РЛС в горизонтальной плоскости; S_з - площадь земной поверхности, от которой отражается излучаемый РЛС радиосигнал.

На фиг.2 условно отображены амплитуды первого U_п1, четвертого U_п4, второго U_п2 и третьего U_п3 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 U_п1, U_п3, U_п4; значение средней удельной ЭПО земной поверхности σ_уд; значения ширины ДНА в вертикальной θ_в и горизонтальной θ_г 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 U_cn (где ) принятых радиосигналов и запоминает их в ЗУ 6.

После этого вычислитель 5 считывает из ЗУ 6 все N измеренных значений амплитуд принятых радиосигналов U_cn (где ) и по формуле (1) вычисляет среднее значение амплитуд U_cp 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 U_п1.

Первое УС 7 сравнивает среднее значение амплитуд U_cp принятых сигналов с амплитудой первого порога U_п1 и в случае, если U_cp<U_п1, 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 U_cp принятых сигналов, и считанное им из ЗУ 6 значение амплитуды третьего порога U_п3.

Второе УС 8 сравнивает среднее значение амплитуд U_cp принятых сигналов с амплитудой третьего порога U_п3 и, в случае, если U_ср<U_п3, 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 U_cm принятых радиосигналов (где ) и запоминает их в ЗУ 6;

- на М-м такте работы получает:

а) из ПРМУ измеренное им значение ширины спектра Δf_спр 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 σ_г и вертикальной σ_в плоскостях, соответственно;

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

д) полученные значения Δf_спр, V, ϕ_г, ϕ_в и Н запоминает в ЗУ 6.

После чего вычислитель 5 выполняет следующее:

- считывает из ЗУ 6 значения длины волны λ, ширины ДНА θ_в и θ_г и, используя значения углов ϕ_в и ϕ_г отворота антенны и скорости V ЛА, по формулам (2) вычисляет значения верхней f_в и нижней f_н границ спектра возможных доплеровских частот отраженных от земли радиосигналов, и по формуле Δf_сз=f_в-f_н - ширину спектра Δf_сз доплеровских частот отраженных от земли радиосигналов;

- считывает из ЗУ 6 значение ширины спектра Δf_спр доплеровских частот принятого радиосигнала, коэффициента достоверности k₂ и проверяет выполнение условия Δf_спр≤k₂·Δf_сз. 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 σ_уд, длины волны λ, углов ϕ_в и ϕ_г отворота антенны, θ_в и θ_г ширины ДНА, высоты полета Н ЛА и по формуле (3) вычисляет значение амплитуды второго порога U_п2, которое выдает на второй вход третьего УС 9.

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

- считывает из ЗУ 6 значение амплитуды четвертого порога U_п4 и выдает его на второй вход четвертого УС 10.

Третье УС 9 сравнивает величину амплитуды суммарного сигнала U_Σ со значением амплитуды второго порога U_п2, и, в случае если U_Σ≥U_п2, 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 U_Σ со значением амплитуды четвертого порога U_п4, и, в случае если U_Σ≥U_п4, 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.

Способ обнаружения и анализа радиосигналов заключается в том, что задают U_п1 - амплитуду первого порога, определяемую уровнем шума используемого в радиолокационной системе (РЛС) приемного устройства (ПРМУ), U_п3 - амплитуду третьего порога по априорно известным данным о мощности помеховых сигналов, U_п4 - амплитуду четвертого порога, определяемую величиной эффективной площади отражения (ЭПО) обнаруживаемых радиоконтрастных объектов (РКО), значение средней удельной ЭПО σ_уд земной поверхности, над которой предполагается обнаружение РКО, значения коэффициентов пропорциональности k₁ и достоверности k₂, в направлении предполагаемого нахождения РКО излучают радиосигналы и принимают отраженные от РКО и земли радиосигналы, находят U_cp - среднее значение амплитуд принятых за N последних тактов работы РЛС радиосигналов, по формуле

где N - количество обрабатываемых в РЛС радиосигналов,

U_cn - измеренное значение амплитуды радиосигнала, принятого на n-м такте работы РЛС, а

среднее значение амплитуд принятых радиосигналов U_cp сравнивают со значением амплитуды первого порога U_п1 и,

а) в случае выполнения условия U_cp<U_п1, считают, что отраженные радиосигналы отсутствуют и процесс их обнаружения повторяют сначала,

б) в случае выполнения условия U_cp≥U_п1 выполняют следующее:

среднее значение амплитуд принятых радиосигналов U_cp сравнивают со значением амплитуды третьего порога U_п3 и,

а) в случае выполнения условия U_cp≥U_п3, считают, что принят помеховый сигнал и процесс обнаружения радиосигналов повторяют сначала,

б) в случае выполнения условия U_cp<U_п3 выполняют следующее:

измеряют скорость полета V летательного аппарата (ЛА), на котором установлена РЛС, измеряют углы ϕ_в и ϕ_г отворота антенны РЛС в вертикальной и горизонтальной плоскостях соответственно, измеряют высоту полета Н ЛА, вычисляют верхнюю f_в и нижнюю f_н границы спектра возможных доплеровских частот отраженных от земли радиосигналов по формулам

где V - скорость полета ЛА;

ϕ_г - угол отворота антенны в горизонтальной плоскости;

ϕ_в - угол отворота антенны в вертикальной плоскости;

θ_г - ширина ДНА РЛС в горизонтальной плоскости;

θ_в - ширина ДНА РЛС в вертикальной плоскости;

λ - длина волны,

определяют значение амплитуды второго порога U_п2 по формуле

где k₁ - коэффициент пропорциональности;

σ_уд - 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 U_cm - 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 Δf_спр 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 U_Σ больше амплитуды второго порога U_п2 и ширина спектра Δf_спр доплеровских частот принятого радиосигнала приближенно равна ширине спектра Δf_сз=f_в-f_н доплеровских частот радиосигналов, отраженных от земли,

в случае, если U_Σ>U_п2, но Δf_спр<K₂·Δf_сз, где k₂ - коэффициент достоверности, считают, что принят радиосигнал, отраженный от РКО, принят отраженный от РКО радиосигнал, если одновременно выполнены два условия: U_Σ≥U_п4 и Δf_спр<k₂·Δf_сз,

в случае, если U_п4<U_Σ<U_п2, но Δf_спр≈Δf_сз считают принят радиосигнал, отраженный от земли.