Способ радиоконтроля

 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано при решении задачи скрытого определения характеристик (частоты, азимута, угла места, дальности и типа цели) множества кратковременно работающих передатчиков, одновременно попадающих в текущую полосу приема. Способ основан на когерентном приеме и синхронной регистрации многочастотных сигналов для всех баз, образованных опорной и всеми входящими в решетку антеннами, в полосе приема, во много раз превышающих ширину спектра одиночного сигнала передатчика. Используя преобразование Фурье, восстанавливают комплексные временные спектры сигналов каждой антенны и спектр мощности сигнала опорной антенны, сравнением которого с порогом выбирают частоты, на которых вычисляют комплексные амплитуды обнаруженных сигналов путем свертки комплексно-сопряженных спектров опорной и остальных антенн. На основе комплексных амплитуд каждого обнаруженного сигнала с использованием совокупности пространственных преобразований Фурье, отличающихся сдвигом фаз по углу места, восстанавливают двумерный комплексный угловой спектр, по модулю которого определяют азимутальные и угломестные пеленги. После сравнения угломестных пеленгов β с порогом разделяют передатчики на наземные и воздушные и определяют наклонную дальность D до передатчиков воздушных целей по формуле D = H/sinβ, где H - известная высота полета цели. Частный случай осуществления способа основан на том, что, используя сигнал вспомогательной опорной антенны в качестве частотно-временного репера (маркера), двумерный угловой спектр восстанавливают избирательно по времени и по частоте. Технический результат заключается в повышении эффективности и скорости контроля. 1 ил.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для пассивного радиоконтроля при решении задачи скрытного определения характеристик (частоты, азимута, угла места, дальности и типа цели) множества кратковременно работающих передатчиков, одновременно попадающих в текущую полосу приема.

С появлением и совершенствованием систем связи, локации, опознавания и других, использующих сигналы с низкой вероятностью перехвата, то есть с повышенной временной скрытностью (кратковременные пакетные, со скачкообразным изменением частоты) возникают проблемы их контроля.

Известен способ радиоконтроля с использованием радиочастотной голографии /1/. Этот способ основан на цифровой регистрации радиочастотной голограммы радиосигналов, принимаемых антенной решеткой и восстановлении с помощью преобразования Фурье углового спектра многолучевого волнового поля. По максимумам восстановленного углового спектра определяются направления прихода основных и переотраженных лучей. Этот способ не обеспечивает пеленгование сигналов нескольких передатчиков, одновременно попадающих в полосу приема.

Известен способ радиоконтроля /2/, обеспечивающий определение азимутального пеленга и частоты сигналов нескольких передатчиков, одновременно попадающих в полосу приема, и принятый за прототип.

Согласно этому способу: 1. Когерентно принимают и синхронно регистрируют многочастотные временные сигналы x_n(t), где n - номер антенного элемента, для всех баз, образованных опорной n= 0 и всеми входящими в решетку антеннами n = 1...N, в полосе приема, во много раз превышающей ширину спектра одиночного сигнала передатчика; 2. Синхронно преобразуют сигналы x_n(t), в цифровые сигналы x_n(i), где i - номер временного отсчета сигнала; 3. Восстанавливают комплексные временные спектры сигналов каждой антенны где F_t {...} - оператор Фурье-преобразования по времени, а f - номер частотного отсчета, то есть входные сигналы разбиваются на частотные поддиапазоны; 4. Вычисляют спектр мощности сигнала опорной антенны 5. Сравнивают спектр мощности с порогом и выбирают частоты f, на которых обнаружены сигналы передатчиков; 6. Получают комплексные амплитуды сигналов путем свертки комплексно-сопряженных спектров опорной и остальных антенн на выбранных частотах 7. Используя комплексные амплитуды дискретным преобразованием Фурье вычисляют азимутальный угловой спектр сигнала на частоте f; 8. Определяют азимутальные пеленги α_m передатчиков по квадрату модуля комплексного углового спектра.

Из приведенного описания следует, что способ-прототип, обеспечивая селекцию и пеленгование сигналов в азимутальной плоскости, не обладает избирательностью по углу места и, следовательно, не извлекает всю имеющуюся в принимаемых сигналах информацию.

В то же время знание угла места источника излучения позволяет повысить чувствительность пеленгатора за счет согласованного по углу приема сигнала и обеспечивает разделение целей на наземные и воздушные.

Более того, во многих случаях воздушные цели перемещаются на известных высотах, что позволяет, используя измерения угла места радиопередатчика цели, получить оценку его удаления от станции пеленгования. Оценка наклонной дальности совместно с азимутальным пеленгом однозначно описывают местоположение цели в пространстве и существенно повышают эффективность контроля.

Кроме того, способу-прототипу присуще следующее противоречие. С одной стороны, расширение полосы одновременного приема расширяет потенциальные возможности способа-прототипа в части обнаружения и пеленгования сигналов с низкой вероятностью перехвата. В то же время описанные ранее наиболее трудоемкие этапы 6 - 8 обработки сигналов способом-прототипом выполняются по каждому обнаруженному в полосе приема сигналу. Это означает, что при фиксированной производительности устройства обработки чем больше сигналов в полосе, тем длиннее общий цикл пеленгования, то есть ниже скорость контроля. Если учесть постоянную тенденцию увеличения числа излучающих средств и повышения мгновенной загрузки диапазона частот, то становится понятной необходимость устранения данного противоречия.

Таким образом, способ-прототип не обеспечивает: извлечения всей имеющейся в принимаемом сигнале информации, включая измерение угла места передатчиков, разделение целей на наземные и воздушные, оценку дальности до воздушных целей;
высокой скорости контроля в условиях повышенной загрузки диапазона частот.

Задача, решаемая изобретением, - повышение эффективности и скорости контроля.

Поставленная задача решается тем, что в способе радиоконтроля, включающем когерентный прием и синхронную регистрацию многочастотных сигналов для всех баз, образованных опорной и всеми входящими в решетку антеннами, в полосе приема, во много раз превышающей ширину спектра одиночного сигнала передатчика, восстановление с использованием преобразования Фурье комплексных временных спектров сигналов каждой антенны и спектра мощности сигнала опорной антенны, сравнением которого с порогом выбирают частоты, на которых вычисляют комплексные амплитуды обнаруженных сигналов путем свертки комплексно-сопряженных спектров опорной и остальных антенн, согласно изобретению на основе комплексных амплитуд каждого обнаруженного сигнала с использованием совокупности пространственных преобразований Фурье, отличающихся сдвигом фаз по углу места, восстанавливают двумерный комплексный угловой спектр, по модулю которого определяют азимутальные и угломестные пеленги, а после сравнения угломестных пеленгов β с порогом разделяют передатчики на наземные и воздушные и определяют наклонную дальность D до передатчиков воздушных целей по формуле D = H/sinβ, где Н - известная высота полета цели.

Возможен частный случай осуществления способа, в котором целесообразно, чтобы сигнал вспомогательной опорной антенны использовали в качестве частотно-временного репера (маркера) и избирательно по времени и по частоте восстанавливали двумерный угловой спектр.

На чертеже приведена структурная схема устройства, в котором реализуется предложенный способ.

Согласно предлагаемому способу:
1. Когерентно принимают и синхронно регистрируют многочастотные временные сигналы x_n(t), где n - номер антенного элемента, для всех баз, образованных опорной n=0 и всеми входящими в решетку антеннами n = 1...N, в полосе приема, во много раз превышающей ширину спектра одиночного сигнала передатчика.

2. Синхронно преобразуют сигналы x_n(t) в цифровые сигналы x_n(i), где i - номер временного отсчета сигнала.

3. Восстанавливают комплексные временные спектры сигналов каждой антенны где F_t {...} оператор Фурье-преобразования по времени, а f - номер частотного отсчета, то есть входные сигналы разбиваются на частотные поддиапазоны.

4. Вычисляют спектр мощности сигнала опорной антенны
5. Сравнивают спектр мощности с порогом и выбирают f - е частоты, на которых обнаружены сигналы передатчиков, то есть маркируют частотный диапазон.

6. Сравнивают f-е частоты, на которых обнаружены сигналы передатчиков, с частотно-временной маской запрещенных для приема или не представляющих интереса для контроля частот и временных интервалов и выбирают сигналы для последующей обработки.

Необходимость частотно-временного маскирования сигналов обусловлена существованием как частотного, так и временного способов разделения каналов в современных системах связи, навигации и других.

На этом этапе обработки за счет избирательности входной поток сигналов существенно уменьшается, что и является основным условием повышения скорости пеленгования на последующих этапах, для которых характерна высокая трудоемкость обработки.

7. Вычисляют комплексные амплитуды
(1)
каждого выбранного сигнала путем свертки комплексно-сопряженных спектров опорной и остальных антенн на выбранных частотах f.

8. На каждой частоте f для каждого значения фазового сдвига по углу места, зависящего от индекса h, где h = 0...Y -1 - текущий номер узла сетки наведения решетки по углу места, a Y - число узлов по углу места, в которых восстанавливается срез азимутального углового спектра на частоте f, комплексные амплитуды выбранных сигналов умножают на диаграмму направленности n-го антенного элемента где m= 0,..., М-1 текущий номер узла сетки по углу α, а M - число узлов сетки по углу α, и фазирующую функцию зaвиcящую от конфигурации антенной решетки и для кольцевой решетки имеющую следующий вид:

где, R - радиус решетки, λ - длина волны на частоте.

Этот этап обработки является ключевым для извлечения всей имеющейся в принимаемом сигнале информации. Это обеспечивается за счет полного согласования, как по азимуту, так и по углу места направления фазирования с направлением прихода сигналов.

9. Определяют двумерный комплексный угловой спектр по следующей формуле

10. Вычисляют квадрат модуля двумерного комплексного углового спектра
11. Определяют азимутальные α_m и угломестные β_h пеленги на выбранные передатчики по квадрату модуля комплексного углового спектра
12. Сравнивают угломестные пеленги β_h с порогом и при превышении порога определяют воздушные цели.

13. С использованием пеленгов по углу места β_h определяют наклонную дальность D до выбранных передатчиков воздушных целей с известной высотой полета Н по формуле D = H/sinβ_h.
Азимутальный пеленг α_m и дальность D описывают местоположение передатчиков воздушных целей в пространстве.

Повышение эффективности и скорости контроля достигается за счет:
дополнительного фазирования принимаемых сигналов по углу места и восстановления двумерного (по азимуту и углу места) комплексного углового спектра вместо одномерного (по азимуту), дополнительного определения и сравнения с порогом пеленгов в угломестной плоскости и использования получаемых угломестных пеленгов для оценки по расчетной формуле наклонной дальности до воздушного источника сигнала, движущегося на известной высоте;
избирательного по частоте и времени восстановления двумерного углового спектра сигналов, целенаправленно выбираемых из входного потока.

Это позволило решить поставленную задачу с достижением технического результата.

Так, для наиболее типичных значений H = 10 км и β_h = 4^o ...45^o получаем, что задача оценки дальности решается при приемлемых на практике дальностях D= (14...143) км. Наличие оценки дальности до воздушного объекта существенно повышает информативность и, следовательно, эффективность радиоконтроля.

Как уже отмечалось для современных и перспективных пеленгаторов характерна тенденция расширения полосы одновременного приема. Чем шире полоса одновременного приема, тем больше сигналов, по которым необходимо восстанавливать угловой спектр и определять пеленги. С другой стороны, чем шире полоса одновременного приема, тем выше вероятность наличия в этой полосе сигналов, не представляющих интереса для радиоконтроля (например, передатчиков телевизионного вещания, маяков, средств собственной связи и т.д.). Таким образом, исключая эти сигналы из входного потока, можно сконцентрировать ресурсы пеленгатора на ценных сигналах и тем самым повысить точность пеленгования или при сохранении точности сократить цикл их обработки, то есть повысить скорость. Исходя из опыта, можно считать, что трудоемкость исключения сигналов из входного потока можно приравнять трудоемкости выполнения одного 1024-х точечного комплексного БПФ. Восстановление двумерного углового спектра по одному сигналу с дискретностью 0.35^o в азимутальном секторе 360^o и с дискретностью 1^o в угломестном секторе 90^o требует ориентировочно выполнения двух 1024-х точечных комплексных БПФ. Если предположить, что из 10-ти передатчиков, одновременно находящихся в полосе приема, исключается три, то скорость пеленгования оставшихся на контроле передатчиков повышается на 25%. В предельном случае, когда ценными для контроля являются только вновь возникающие излучения, скорость пеленгования повышается на 90% за счет исключения из входного потока сигналов, не представляющих ценности для контроля.

Кроме перечисленных преимуществ моделированием с использованием математической системы MathCAD 7 Professional на примере кольцевой антенной решетки подтверждена возможность измерения двумерных пеленгов при отношениях где λ - длина волны принимаемого излучения, a d - расстояние между элементами решетки, при фазировании сигналов по углу места. Это эквивалентно 10-ти кратному расширению рабочего диапазона частот при фиксированном числе антенн в решетке или пропорциональному уменьшению числа антенн при фиксированном диапазоне частот по сравнению с прототипом.

Устройство (см. чертеж), в котором реализуется предложенный способ, содержит антенную систему 1, включающую опорную антенну 2, антенную решетку 3 из N антенных элементов, подключенных к входам коммутатора 4. К выходам антенной системы 1 последовательно подключены: двухканальное когерентное радиоприемное устройство 5, двухканальный синхронный АЦП 6, первый анализатор спектра на основе быстрого преобразования Фурье (БПФ) 7, схема сравнения 8, вычислитель сверток 9, процессор дискретного преобразования Фурье 10, классификатор целей и вычислитель дальности 11. Ко второму входу схемы 8 подключено запоминающее устройство запрещенных частот и временных интервалов 12, первый вход которого соединен непосредственно со вторым выходом первого анализатора спектра 7, а второй вход устройства 12 подключен к третьему выходу первого анализатора спектра 7 через устройство обратного БПФ 13. Первый сигнальный вход вычислителя сверток 9 подключен к третьему выходу первого анализатора спектра 7. Второй сигнальный вход вычислителя сверток 9 через второй анализатор спектра на основе БПФ 14 подключен ко второму выходу АЦП 6. Со вторым входом процессора 10 соединено запоминающее устройство весовой и фазирующей функций 14.

Устройство работает следующим образом.

Многочастотные временные сигналы x_n(t) от опорного антенного элемента (n = 0) антенной системы 1 поступают на первый вход радиоприемного устройства 5, а от всех антенн, входящих в решетку (n = 1...N), - на второй вход устройства 5 через коммутатор 4. Сигналы x_n(t) когерентно переносятся на более низкую частоту в радиоприемном устройстве 5 и синхронно преобразуются с помощью АЦП 3 в цифровые сигналы x_n(i), где n - номер антенного элемента, a i - номер временного отсчета сигнала.

В анализаторе спектра 7 определяется комплексный спектр по временной частоте сигналов с выхода опорной антенны а в анализаторе спектра 14 - с выходов всех антенн, входящих в решетку где F_t{...} - оператор Фурье-преобразования по времени, а f - номер частотного отсчета, то есть входные сигналы разбиваются на частотные поддиапазоны. В анализаторе спектра 7 дополнительно восстанавливается спектр мощности сигналов опорной антенны который сравнивают с порогом и выбирают f-е частоты, на которых обнаружены сигналы передатчиков, то есть маркируют частотный диапазон. Эти частоты поступают в запоминающее устройство 12. Одновременно комплексные сигналы на этих частотах с третьего выхода анализатора 7 поступают в устройство обратного БПФ 13. В устройстве 13 обнаруженные сигналы преобразуются во временную область, детектируются амплитудным детектором и после сравнения с порогом определяются моменты приема сигналов на выбранных частотах. Моменты приема сигналов на выбранных частотах поступают в запоминающее устройство 12. Таким образом в устройстве 12 накапливается статистическая информация о частотно-временных параметрах всех сигналов, наблюдавшихся и наблюдаемых в полосе приема. Кроме этого в устройство 12 может быть введена дополнительная информация от оператора. С использованием этой информации в устройстве 12 формируется и хранится частотно-временная маска запрещенных для последующей обработки сигналов.

В схеме сравнения 8 сравнивают значения f-х частот, на которых обнаружены сигналы передатчиков, и моментов времени приема сигналов на этих частотах с частотно-временной маской, хранящейся в запоминающем устройстве 12. В случае совпадения частот и наличия маски запрета по времени в вычислитель сверток 9 поступает сигнал, запрещающий обработку на данных частотах и временном интервале.

Как уже отмечалось ранее, на этом этапе обработки входной поток сигналов существенно сжимается и превращается в поток ценных для радиоконтроля сигналов, что и является основным условием повышения скорости пеленгования на последующих этапах.

В вычислителе сверток 9 получают комплексные амплитуды каждого сигнала путем свертки комплексно-сопряженных спектров опорной и остальных антенн на выбранных в схеме сравнения 8 частотах f.

В процессоре дискретного преобразования Фурье 10 на каждой частоте f, для каждого значения наведения по углу места h комплексные амплитуды выбранных сигналов умножают на хранящиеся в запоминающем устройстве 14 весовую функцию (диаграмму направленности n-го антенного элемента) и фазирующую функцию, зависящую от конфигурации антенной решетки и для кольцевой решетки имеющую вид (2).

После этого в процессоре 10 на выбранных частотах и временных интервалах (то есть избирательно по частоте и по времени) восстанавливают комплексный угловой спектр с помощью двумерного преобразования Фурье по формуле (3).

Определяют азимутальные α_m и угломестные β_h пеленги выбранных передатчиков по квадрату модуля двумерного комплексного углового спектра
В классификаторе целей и вычислителе дальности 11 сравнивают угломестные пеленги β_h с порогом и при его превышении определяют воздушные цели, а также определяют наклонную дальность D до выбранных передатчиков воздушных целей с известной высотой полета Н по формуле D = H/sinβ_h.
Азимутальный пеленг α_m и дальность D описывают местоположение передатчиков воздушных целей в пространстве.

Таким образом, заявляемый способ радиоконтроля за счет:
оценки наклонной дальности до передатчиков воздушных целей, движущихся на известной высоте;
избирательного по частоте и времени восстановления двумерного углового спектра сигналов, целенаправленно выбираемых из входного потока,
обеспечивает повышение эффективности и скорости контроля.

Источники информации:
1. US, патент, 3887923, кл. G 01 S 5/02, 1975 г.

2. RU, патент, 2096797, кл. G 01 S 3/14, 1996 г.

Формула изобретения

Способ радиоконтроля, включающий когерентный прием и синхронную регистрацию многочастотных сигналов для всех баз, образованных опорной и всеми входящими в решетку антеннами, в полосе приема, во много раз превышающей ширину спектра одиночного сигнала передатчика, восстановление с использованием преобразования Фурье комплексных временных спектров сигналов каждой n-й антенны и спектра мощности сигнала опорной антенны сравнением которого с порогом выбирают f-тые частоты, на которых обнаружены сигналы передатчиков, отличающийся тем, что сравнивают f-тые частоты и интервалы времени существования обнаруженных сигналов с частотно-временной маской запрещенных для приема или не представляющих интереса для контроля частот и выбирают сигналы, для которых вычисляют комплексные амплитуды для каждого узла с текущим номером h сетки наведения решетки по углу места умножают амплитуды на диаграмму направленности n-й антенны

где М - число узлов сетки по азимуту;
m = О, ... М-1 - текущий номер узла сетки по азимуту,
и фазирующую функцию зависящую от конфигурации антенной решетки, и определяют двумерный комплексный угловой спектр по формуле

по модулю которого определяют азимутальные α_m и угломестные β_h пеленги, а после сравнения угломестных пеленгов β_h с порогом разделяют передатчики на наземные и воздушные и определяют наклонную дальность D до передатчиков воздушных целей по формуле D = H/sinβ_h, где Н - известная высота полета цели.

РИСУНКИ

Рисунок 1