Способ приема сигналов в системах скрытной радиолокации

Способ приема сигналов в системах скрытной радиолокации

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах, предназначенных для контроля воздушного, надводного и наземного пространства и основанных на технологии скрытного обнаружения и слежения за подвижными объектами с использованием прямых и рассеянных подвижными объектами сигналов, излучаемых множеством неконтролируемых передатчиков радиоэлектронных систем различного назначения.

Технология скрытного обнаружения и слежения за воздушными объектами, использующая естественную “подсветку” подвижных целей, создаваемую на множестве частот радиоизлучениями передатчиков различного назначения в диапазонах коротких, метровых, дециметровых и сантиметровых волн: широковещательные (коммерческое FM-радиовещание, телевидение высокой четкости), информационные (связь) и измерительные (управление, навигация), пока еще не получила достаточного распространения несмотря на то, что может существенно повысить скрытность и эффективность обнаружения, пространственной локализации и идентификации широкого класса подвижных объектов.

Достижение высокой эффективности обнаружения, локализации и идентификации подвижных объектов ограничивается несовершенством известных способов селекции полезных сигналов при их приеме на фоне шумов и помех в системах скрытной радиолокации. Это обусловлено тем, что принимаемый многолучевой радиосигнал, как правило, включает мощные прямые сигналы и отраженные от земной инфраструктуры компоненты сигнала выбранного передатчика, задержанные по времени и сдвинутые на частоту доплеровского смещения рассеянные воздушными объектами сигналы, а также сигналы других неконтролируемых источников, работающих на частоте, совпадающей с частотой приема. Для повышения эффективности обнаружения и пространственной локализации широкого класса воздушных объектов (большие, средние, малые самолеты и беспилотные летательные аппараты, вертолеты, ракеты, спускаемые аппараты) необходимо качественное выделение слабых рассеянных объектами сигналов на фоне мощного прямого сигнала выбранного передатчика, а также на фоне сигналов других нежелательных источников.

В связи с этим первоочередной и, следовательно, наиболее важной задачей в системах скрытной радиолокации является задача совершенствования способов приема полезных сигналов на фоне шумов и помех.

Известен способ приема сигналов в системах скрытной радиолокации [1], заключающийся в том, что

когерентно принимают пространственно разнесенными приемными каналами многолучевые радиосигналы, включающие излучаемый передатчиком подсвета прямой радиосигнал с расширенным спектром и рассеянные объектами радиосигналы этого передатчика,

синхронно преобразуют ансамбль принятых радиосигналов в комплексные цифровые сигналы,

синхронно регистрируют комплексные цифровые сигналы,

из цифровых сигналов пар каналов формируют комплексные двумерные взаимно корреляционные функции (ДВКФ), зависящие как от временного, так и от частотного сдвигов принятых сигналов,

сдвигают по времени комплексную ДВКФ каждой пары каналов на величину, соответствующую каждому ожидаемому направлению m прихода принятых прямого и отраженных от объектов радиосигналов,

для каждого ожидаемого направления прихода m выделяют центральные двухмерные части сдвинутых ДВКФ,

усредняют выделенные для m-го направления прихода центральные двухмерные части сдвинутых комплексных ДВКФ,

преобразуют усредненную ДВКФ в комплексный цифровой сигнал m-го направления приема.

Наиболее существенным фактором, ограничивающим эффективность данного способа, является отсутствие операций подавления помехи в виде прямого радиосигнала передатчика подсвета, как правило, на 40-60 дБ превышающего уровень рассеянных объектами радиосигналов.

Более эффективным является способ приема сигналов в системах скрытной радиолокации [2], свободный от этого недостатка и выбранный в качестве прототипа. Согласно этому способу:

1. Синхронно принимают решеткой из N антенн многолучевой радиосигнал, включающий прямой радиосигнал передатчика подсвета и рассеянные объектами радиосигналы этого передатчика;

2. Формируют ансамбль радиосигналов, зависящих от времени и номера антенны;

3. Синхронно преобразуют ансамбль принятых радиосигналов в цифровые сигналы;

4. Преобразуют цифровые сигналы в сигнал комплексного амплитудно-фазового распределения w₀, описывающий распределение амплитуд и фаз принятого радиосигнала на элементах решетки, который запоминают;

5. Формируют и запоминают матричный сигнал возможных направлений приема Е;

6. Формируют и запоминают первый матричный сигнал нежелательных направлений приема С⁽¹⁾;

7. Вычисляют и запоминают сигналы первых и вторых производных от элементов первого матричного сигнала нежелательных направлений приема С⁽¹⁾;

8. Из сигналов первых производных формируют второй матричный сигнал нежелательных направлений приема С⁽²⁾, который запоминают;

9. Из сигналов вторых производных формируют третий матричный сигнал нежелательных направлений приема С⁽³⁾, который запоминают;

10. Объединяют первый С⁽¹⁾, второй С⁽²⁾ и третий С⁽³⁾ матричные сигналы нежелательных направлений приема в результирующий матричный сигнал нежелательных направлений приема С, который запоминают;

11. Из сигнала комплексного амплитудно-фазового распределения w₀ и результирующего матричного сигнала нежелательных направлений приема С формируют сигнал оптимального вектора весовых коэффициентов w H = w 0 H ( I − C ( C H C ) − 1 C H ) , где Н означает операцию эрмитова сопряжения, а I - единичная матрица;

12. Используют сигнал оптимального вектора весовых коэффициентов w^H и матричный сигнал возможных направлений приема Е для формирования принятого сигнала s=w^HE.

Способ-прототип обладает более высокой помехоустойчивостью и, как следствие, повышенной чувствительностью при приеме сигналов, рассеянных объектами. Это обусловлено тем, что данный способ для борьбы с помехами, в дополнение к пространственной селекции помех на основе направленных свойств основного лепестка диаграммы направленности антенны, содержит операции формирования нулей диаграммы направленности в нежелательных направлениях приема.

Однако существенным недостатком данного способа является то, что он не гарантирует сохранение максимума диаграммы направленности в заданном направлении. Как следствие, возможны случаи резкого снижения чувствительности в направлениях прихода полезного сигнала цели.

Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности приема сигналов в системах скрытной радиолокации.

Повышение чувствительности приема сигналов в системах скрытной радиолокации достигается за счет введения дополнительных операций:

- формирования матричного сигнала требуемых направлений приема;

- запоминания векторного сигнала максимальных значений диаграммы направленности в требуемых направлениях приема,

а также использования при формировании сигнала оптимального вектора весовых коэффициентов, кроме сигнала комплексного амплитудно-фазового распределения и результирующего матричного сигнала нежелательных направлений приема, дополнительных сигналов - матричного сигнала требуемых направлений приема и векторного сигнала максимальных значений диаграммы направленности в требуемых направлениях приема.

Технический результат достигается тем, что в способе приема сигналов в системах скрытной радиолокации, заключающемся в том, что синхронно принимают решеткой из N антенн многолучевой радиосигнал, включающий прямой радиосигнал передатчика подсвета и рассеянные объектами радиосигналы этого передатчика, формируют ансамбль радиосигналов, зависящих от времени и номера антенны, синхронно преобразуют ансамбль принятых радиосигналов в цифровые сигналы, преобразуют цифровые сигналы в сигнал комплексного амплитудно-фазового распределения, описывающий распределение амплитуд и фаз принятого радиосигнала на элементах решетки, который запоминают, формируют и запоминают матричный сигнал возможных направлений приема, формируют и запоминают первый матричный сигнал нежелательных направлений приема, вычисляют сигналы первых и вторых производных от элементов первого матричного сигнала нежелательных направлений приема, из сигналов первых производных формируют второй матричный сигнал нежелательных направлений приема, который запоминают, из сигналов вторых производных формируют третий матричный сигнал нежелательных направлений приема, объединяют первый, второй и третий матричные сигналы нежелательных направлений приема в результирующий матричный сигнал нежелательных направлений приема, который запоминают, согласно изобретению формируют матричный сигнал требуемых направлений приема и векторный сигнал максимальных значений диаграммы направленности в требуемых направлениях приема, из сигнала комплексного амплитудно-фазового распределения, результирующего матричного сигнала нежелательных направлений приема, матричного сигнала требуемых направлений приема и векторного сигнала максимальных значений диаграммы направленности в требуемых направлениях приема формируют сигнал оптимального вектора весовых коэффициентов, используют сигнал оптимального вектора весовых коэффициентов и матричный сигнал возможных направлений приема для формирования принятого сигнала.

Операции способа поясняются чертежами.

Фиг.1. Структурная схема устройства, реализующего предложенный способ приема сигналов в системах скрытной радиолокации.

Фиг.2. Пример повышения чувствительности приема сигналов в системах скрытной радиолокации предложенным способом.

Способ приема сигналов в системах скрытной радиолокации осуществляется следующим образом

1. Синхронно принимают решеткой из N антенн многолучевой радиосигнал, включающий прямой радиосигнал передатчика подсвета и рассеянные объектами радиосигналы этого передатчика.

2. Формируют ансамбль радиосигналов x n ( t ) , зависящих от времени t и номера n антенны, n = 1, N ¯ , N - число антенн.

3. Синхронно преобразуют ансамбль принятых радиосигналов x n ( t ) в цифровые сигналы x n ( z ) , где z - номер временного отсчета сигнала.

4. Преобразуют цифровые сигналы x n ( z ) в сигнал комплексного амплитудно-фазового распределения w₀, описывающий распределение амплитуд и фаз принятого радиосигнала на элементах решетки, который запоминают.

Размерность сигнала w₀ равна 1×N.

Преобразование цифровых сигналов x n ( z ) в сигнал комплексного амплитудно-фазового распределения w₀ осуществляется известными способами, например, основанными на преобразовании Гильберта [3, стр.65] или квадратурной дискретизации [3, стр.169].

5. Формируют и запоминают матричный сигнал возможных направлений приема Е.

Размерность сигнала Е равна N×M. Отдельные элементы сигнала Е описываются следующим соотношением:

E n ( α m , β m ) = exp { 2 π i λ ( r n cos β m cos ( α n − α m ) + z n sin β m ) } ,

где E n ( α m , β m ) - n-я составляющая матричного сигнала Е, m = 1, M ¯ - номер узла сетки возможного направления приема по азимуту α_m и углу места β_m, М - число узлов, r_n,z_n,α_n - цилиндрические координаты антенн решетки, λ - длина волны, соответствующая заданной частоте приема.

6. Формируют и запоминают первый матричный сигнал нежелательных направлений приема С⁽¹⁾.

Размерность сигнала С⁽¹⁾ равна N×M₀. Элементы сигнала С⁽¹⁾ имеют следующий вид:

C n ( 1 ) ( α m ' , β m ' ) = exp { 2 π i λ ( r n cos β m ' cos ( α n − α m ' ) + z n sin β m ' ) } ,

где C n ( 1 ) ( α m ' , β m ' ) - n-я составляющая матричного сигнала C^(l), m' - номер узла сетки нежелательного направления приема по азимуту α_m' и углу места β_m', в которых диаграмма направленности должна обращаться в ноль, М₀ - число таких узлов.

7. Вычисляют сигналы первых и вторых производных от элементов C n ( 1 ) ( α m ' , β m ' ) первого матричного сигнала нежелательных направлений приема С⁽¹⁾.

Вычисления выполняют по следующей формуле:

d n ( 1 ) ( α m ' , β m ' ) = ( 2 π i λ r n ) l exp { 2 π i λ ( r n cos β m ' cos ( α n − α m ' ) + z n sin β m ' ) } ,

где l означает порядок производной.

8. Из сигналов первых производных d n ( 1 ) ( α m ' , β m ' ) формируют второй матричный сигнал нежелательных направлений приема С⁽²⁾, который запоминают.

Размерность сигнала С⁽²⁾ равна N×М₁. При этом M₁≤M₀;

9. Из сигналов вторых производных d n ( 2 ) ( α m ' , β m ' ) формируют третий матричный сигнал нежелательных направлений приема С⁽³⁾.

Размерность сигнала С⁽³⁾ равна N×М₂. При этом М₂≤M₀.

10. Объединяют первый С⁽¹⁾, второй С⁽²⁾ и третий С⁽³⁾ матричные сигналы нежелательных направлений приема в результирующий матричный сигнал нежелательных направлений приема C = { C ( 1 ) , C ( 2 ) , C ( 3 ) } , который запоминают.

Размерность сигнала С равна N×М_c. При этом М_c<N;

11. Формируют матричный сигнал требуемых направлений приема D.

Размерность сигнала D равна N×M_D, а его элементы имеют следующий вид:

D n ( α m " , β m " ) = exp { 2 π i λ ( r n cos β m " cos ( α n − α m " ) + z n sin β m " ) } ,

где D n ( α m " , β m " ) - n-я составляющая матричного сигнала D, m'' - номер узла сетки требуемого направления приема по азимуту α_m'' и углу места β_m'', в котором диаграмма направленности должна достигать максимального значения f_m'', М_D - число таких узлов.

12. Формируют векторный сигнал максимальных значений диаграммы направленности F = { f 1 , … , f m " , … , f M D } T требуемых направлениях приема α_m'' и β_m'', где { f 1 , … , f m " , … , f M D } - элементы сигнала F, а символ Т означает операцию транспонирования. Размерность сигнала F равна 1×М_D.

13. Из сигнала комплексного амплитудно-фазового распределения w₀, результирующего матричного сигнала нежелательных направлений приема С, матричного сигнала требуемых направлений приема D и векторного сигнала максимальных значений диаграммы направленности в требуемых направлениях приема F формируют сигнал оптимального вектора весовых коэффициентов

w H = w 0 H [ I − ( C ( C H C ) − 1 − D ( D H D ) − 1 D H C ( C H C ) − 1 ) × × { I − C H D ( D H D ) − 1 D H C ( C H C ) − 1 } − 1 C H − − { D ( D H D ) − 1 − C ( ( D H D ) − 1 D H C ( C H C ) − 1 ) H } × × { I − D H C ( ( D H D ) − 1 D H C ( C H C ) − 1 ) H } − 1 D H ] − − F H [ ( D H D ) − 1 D H C ( C H C ) − 1 { I − C H D ( D H D ) − 1 D H C ( C H C ) − 1 } − 1 C H − − ( D H D ) − 1 { I − D H C ( ( D H D ) − 1 D H C ( C H C ) − 1 ) H } − 1 D H ] ,

где H означает операцию эрмитова сопряжения, а I - единичная матрица.

Размерность сигнала w^H равна 1×N.

Отметим, что для сокращения объема вычислительных операций формирование сигнала оптимального вектора весовых коэффициентов w^H может осуществляться путем предварительного вычисления и запоминания вспомогательных матричных сигналов

A₁=(D^HD)^-1, A₂=C(C^HC)^-1, B=A₁D^HA₂, A₃=DB, A₄=CB^H, R₁=(I-C^HA₃)^-1, R₂=(I-D^HA₄)^-1, R₃=R₁C^H и R₄=R₂D^H

и последующих вычислений по следующей формуле:

w H = w 0 H [ I − [ A 2 − A 3 ] R 3 − [ D A 1 − A 4 ] R 4 ] − F H [ B R 3 − A 1 R 4 ] ;

14. Используют сигнал оптимального вектора весовых коэффициентов w^H и матричный сигнал возможных направлений приема Е для формирования принятого сигнала s=w^HE.

Таким образом, повышение чувствительности приема сигналов достигается за счет введения дополнительных операций формирования матричного сигнала требуемых направлений приема D и векторного сигнала максимальных значений диаграммы направленности в требуемых направлениях приема F, а также использования при формировании сигнала оптимального вектора весовых коэффициентов w^H, кроме сигнала комплексного амплитудно-фазового распределения w₀ и результирующего матричного сигнала нежелательных направлений приема С, дополнительных сигналов - матричного сигнала требуемых направлений приема D и векторного сигнала максимальных значений диаграммы направленности в требуемых направлениях приема F.

Устройство (фиг.1), в котором реализуется предложенный способ, содержит последовательно соединенные антенную систему 1, N-канальный преобразователь частоты 2, N-канальный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 3, формирователь сигнала амплитудно-фазового распределения w₀ 4, формирователь сигнала оптимального вектора весовых коэффициентов w^H 5, формирователь принятого сигнала s 6 и формирователь матричного сигнала возможных направлений приема Е 7, а также параллельно подключенные к формирователю 5 формирователь результирующего матричного сигнала нежелательных направлений приема С 8 и формирователь матричного сигнала требуемых направлений приема D и векторного сигнала максимальных значений диаграммы направленности в требуемых направлениях приема F 9. При этом управляющий выход формирователя 6 параллельно соединен с управляющими входами преобразователей 2 и 3 и формирователей 4, 5, 7, 8 и 9.

Антенная система 1 содержит N антенн с номерами n=1…N, объединенных в решетку. Антенная решетка может быть произвольной пространственной конфигурации: плоской прямоугольной, плоской кольцевой или объемной, в частности конформной.

Преобразователь частоты 2 выполнен в N-канальном варианте с общим гетеродином и с полосой пропускания каждого канала, согласованной с шириной спектра сигнала передатчика. Общий гетеродин обеспечивает N-канальный когерентный прием сигналов, что является основным условием регистрации относительной разности фаз сигналов, принимаемых совокупностью антенн. Кроме этого преобразователь 2 обеспечивает калибровку по внутреннему источнику сигнала. При этом может быть использован генератор шума, выход которого также может подключаться вместо всех антенн для периодической калибровки каналов.

Если разрядность и быстродействие N-канального АЦП достаточны для непосредственного аналого-цифрового преобразования входных сигналов, как, например, в KB-диапазоне, то вместо преобразователя 2 могут использоваться частотно-избирательный полосовой фильтр и усилитель. Другими словами, аналоговая часть устройства, реализующего предлагаемый способ, может быть построена по принципу прямого усиления.

Формирователь 4 построен по N-канальной схеме, которая обеспечивает максимальное быстродействие благодаря параллельной обработке сигналов.

Формирователи 5-9 представляют собой многопроцессорные вычислительные устройства, что является необходимым условием приема сигналов в реальном масштабе времени.

Работает устройство, реализующее способ поиска сложных сигналов, следующим образом.

Начало функционирования устройства и синхронизация преобразователей 2 и 3, а также формирователей 4, 5, 7-9 осуществляется по управляющим сигналам формирователя 6.

По сигналу начального пуска многолучевой радиосигнал, включающий прямой радиосигнал передатчика подсвета и рассеянные объектами радиосигналы этого передатчика, синхронно принимается антенной системой 1. Ансамбль зависящих от времени радиосигналов x n ( t ) с выхода антенной системы 1 от антенн с номерами n = 1, N ¯ , входящих в решетку, поступает на входы N-канального преобразователя 2. В преобразователе 2 радиосигналы x n ( t ) когерентно переносятся на более низкую частоту.

Преобразованные по частоте в преобразователе 2 сигналы x n ( t ) поступают на вход АЦП 3, где синхронно преобразуются в цифровые сигналы x n ( z ) . Цифровые сигналы x n ( z ) поступают в формирователь 4.

В формирователе. 4 цифровые сигналы x n ( z ) преобразуются в сигнал комплексного амплитудно-фазового распределения w₀. Полученный сигнал w₀ поступает в формирователь 5, где запоминается.

Одновременно с этим выполняются следующие действия:

- в формирователе 7 формируется матричный сигнал возможных направлений приема Е. Сформированный сигнал Е поступает в формирователь 6, где запоминается;

- в формирователе 8 формируется и запоминается первый матричный сигнал нежелательных направлений приема С⁽¹⁾, а также вычисляются сигналы первых d n ( 1 ) ( α m ' , β m ' ) и вторых d n ( 2 ) ( α m ' , β m ' ) производных от элементов первого матричного сигнала нежелательных направлений приема С⁽¹⁾. После этого в формирователе 8 из сигналов первых производных d n ( 1 ) ( α m ' , β m ' ) формируется и запоминается второй матричный сигнал нежелательных направлений приема С⁽²⁾, а из сигналов вторых производных d n ( 2 ) ( α m ' , β m ' ) формируется третий матричный сигнал нежелательных направлений приема С⁽³⁾. Кроме этого в формирователе 8 сигналы С⁽¹⁾, С⁽²⁾ и С⁽³⁾ объединяются в результирующий матричный сигнал нежелательных направлений приема С. Сигнал С поступает в формирователь 5, где запоминается;

- в формирователе 9 формируется матричный сигнал требуемых направлений приема D и векторный сигнал максимальных значений диаграммы направленности F в требуемых направлениях приема α_m'' и β_m''.

Сформированные сигналы D и F поступают в формирователь 5, где совместно с сигналами w₀ и С преобразуются в сигнал оптимального вектора весовых коэффициентов w^H. Сформированный сигнал w^H поступает в формирователь 6.

В формирователе 6 из сигнала оптимального вектора весовых коэффициентов w^H и матричного сигнала возможных направлений приема Е формируется принятый сигнал s.

Рассмотрим пример, подтверждающий возможность повышения чувствительности приема сигналов, рассеянных целями, в системах скрытной радиолокации при использовании предложенного способа. На фиг.2 представлены полученные математическим моделированием азимутальные диаграммы направленности 16-элементной антенной решетки радиусом 40 м на частоте 10 МГц, сформированные классическим способом формирования луча [4] (сплошная тонкая линия), способом-прототипом (штриховая жирная линия) и предложенным способом (сплошная жирная линия). Из фиг.2 видно, что в отличие от способа классического формирования луча предложенный способ, как и способ-прототип, за счет формирования нуля в диаграмме направленности обеспечивает подавление приходящего с направления 218 градусов прямого сигнала подсвета, в данном случае являющегося помехой. При этом предложенный способ обеспечивает по сравнению со способом-прототипом повышение в 1,6 раза чувствительности приема приходящего с направления 30 градусов полезного сигнала, рассеянного целью.

Сформированный сигнал s поступает во внешние системы для дальнейшей обработки с целью обнаружения и пространственной локализации и идентификации широкого класса подвижных объектов.

Таким образом, за счет введения дополнительных операций формирования матричного сигнала требуемых направлений приема и векторного сигнала максимальных значений диаграммы направленности в требуемых направлениях приема, а также использования при формировании сигнала оптимального вектора весовых коэффициентов, кроме сигнала комплексного амплитудно-фазового распределения и результирующего матричного сигнала нежелательных направлений приема, дополнительных сигналов - матричного сигнала требуемых направлений приема и векторного сигнала максимальных значений диаграммы направленности в требуемых направлениях приема удается решить поставленную задачу с достижением указанного технического результата.

Источники информации

1. Патент RU 2319976, кл. G01S 5/04, 2008 г.

2. Tsai P.-H.E.; Ebrahim К.; Lange G.; Paichard Y.; Inggs M. Null Placement in a Circular Antenna Array for Passive Coherent Location Systems, in Proceedings of the IEEE Radar Conference, 2010, p.1140-1143.

3. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов: Учебник для вузов. 2-е изд. - СПб.: Питер, 2006.

4. Патент RU 2190236, кл. G01S 5/04, 2002 г.

Способ приема сигналов в системах скрытной радиолокации, заключающийся в том, что синхронно принимают решеткой из N антенн многолучевой радиосигнал, включающий прямой радиосигнал передатчика подсвета и рассеянные объектами радиосигналы этого передатчика, формируют ансамбль радиосигналов, зависящих от времени и номера антенны, синхронно преобразуют ансамбль принятых радиосигналов в цифровые сигналы, преобразуют цифровые сигналы в сигнал комплексного амплитудно-фазового распределения, описывающий распределение амплитуд и фаз принятого радиосигнала на элементах решетки, который запоминают, формируют и запоминают матричный сигнал возможных направлений приема, формируют и запоминают первый матричный сигнал нежелательных направлений приема, вычисляют сигналы первых и вторых производных от элементов первого матричного сигнала нежелательных направлений приема, из сигналов первых производных формируют второй матричный сигнал нежелательных направлений приема, который запоминают, из сигналов вторых производных формируют третий матричный сигнал нежелательных направлений приема, объединяют первый, второй и третий матричные сигналы нежелательных направлений приема в результирующий матричный сигнал нежелательных направлений приема, который запоминают, отличающийся тем, что формируют матричный сигнал требуемых направлений приема и векторный сигнал максимальных значений диаграммы направленности в требуемых направлениях приема, из сигнала комплексного амплитудно-фазового распределения, результирующего матричного сигнала нежелательных направлений приема, матричного сигнала требуемых направлений приема и векторного сигнала максимальных значений диаграммы направленности в требуемых направлениях приема формируют сигнал оптимального вектора весовых коэффициентов, используют сигнал оптимального вектора весовых коэффициентов и матричный сигнал возможных направлений приема для формирования принятого сигнала.