Способ адаптивного пространственно-многоканального обнаружения и пеленгования двух частотно-неразделимых источников радиоизлучения

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в многоканальных моноимпульсных обнаружителях-пеленгаторах при приеме двух частотно-неразделимых сигналов при неизвестной интенсивности шума приемных каналов, что характерно для работы сетей передачи данных, например, стандарта 3G. Достигаемый технический результат – повышение эффективности адаптивного пространственно-многоканального обнаружения и пеленгования двух частотно-неразделимых источников радиосигналов, количественно проявляющийся в повышении вероятности правильного обнаружения при фиксированной вероятности ложной тревоги, повышении достоверности определения числа частотно-неразделимых источников радиосигналов, точности и достоверности определения направлений прихода и соотношения уровней энергии принимаемых радиосигналов в условиях аддитивного гауссовского шума неизвестной интенсивности. В способе осуществляют синхронный прием временных реализаций с выходов антенн антенной системы (АС) в пространственных каналах обнаружителя-пеленгатора, одновременно попадающих в текущую полосу приема, синхронное преобразование временных реализаций в цифровую форму, быстрое преобразования Фурье. По принятым временным реализациям матриц взаимных энергий реализуется вычисление первой решающей статистики, сравнение ее с нижним порогом и верхним порогом, вычисляемыми в соответствии с критерием Неймана-Пирсона и обеспечивающими требуемую постоянную вероятность ложной тревоги; в случае превышения второго порога – принятие решения о том, что спектральный отсчет соответствует сигналу одного источника радиоизлучения и расчет оценки азимута и угла места, в случае, если первый порог не превышен – решение о том, что спектральный отсчет является шумовым, если спектральный отсчет попал между нижним и верхним порогами, реализуется дополнительная обработка, вычисление второй решающей статистики и сравнение ее с третьим порогом, при его превышении – формирование и расчет глобального максимума пеленгационного рельефа, формирование третьей решающей статистики и сравнение ее с четвертым порогом, в случае превышения порога – принятие решения о том, что спектральный отсчет соответствует сигналам от двух источников радиоизлучения и расчет оценок направлений и уровней принимаемых сигналов. 8 ил.

 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в многоканальных моноимпульсных обнаружителях-пеленгаторах при приеме радиосигналов одного либо двух частотно-неразделимых источников радиоизлучения в условиях неизвестной интенсивности шума приемных каналов, что характерно для работы сетей передачи данных, например, стандарта 3G.

Известен способ многоканального обнаружения и оценивания числа источников излучения с адаптивным выравниванием мощностей шумов в канале [Тарасов Г.А., Кабаков И.В., Незванов А.Ю. Способ многоканального обнаружения и оценивания числа источников излучения с адаптивным выравниванием мощностей шумов в канале. Патент РФ № 2204840, G01S 3/00].

Способ включает в себя следующие этапы:

1. Сигналы источников излучения принимают N датчиками антенной решетки , умножают на соответствующий весовой коэффициент , где - номер шага итерационной процедуры, вычисляют выборочную корреляционную матрицу сигналов и минимальное собственное значение упомянутой выборочной корреляционной матрицы .

2. На первом шаге итерационной процедуры адаптивного выравнивания мощностей шумов в каналах всем весовым коэффициентам присваивают единичные значения , вычисляют выборочную корреляционную матрицу сигналов , минимальное собственное значение, диагональные значения и след выборочной корреляционной матрицы, на последующих шагах упомянутой процедуры осуществляют оптимизацию значений весовых коэффициентов по критерию максимума минимального собственного значения выборочной корреляционной матрицы при ограничениях в виде равенства следу корреляционной матрицы

,

где

- номер последнего шага итерационной процедуры адаптивного выравнивания мощностей шумов в каналах.

3. Решение об обнаружении источников излучения и оценивание числа источников излучения осуществляется после завершения всех шагов итерационной процедуры адаптивного выравнивания мощностей шумов в канале многоканального обнаружителя при значениях весовых коэффициентов , полученных на последнем -ом итерационном шаге.

Однако одним из недостатков способов, основанных на вычислении и анализе собственных значений, является тот факт, что при малых количествах накоплений, устойчивость данных методов сильно ухудшается, поскольку в общем случае не обеспечивается соответствие между количеством собственных значений, превысивших порог, и количеством принимаемых сигналов. При этом в системах радиомониторинга, с целью обеспечения требуемой скорости сканирования, существует ограничение по увеличению числа накоплений, за счет чего, в указанных системах представленный выше способ является неустойчивым.

Ещё к одному недостатку указанного выше способа можно отнести тот факт, что для расчета нормированных пороговых значений используется многомерная функция распределения собственных значений. Такой подход является некорректным, поскольку имеется нелинейная зависимость (выборочная корреляционная матрица является неотрицательно определенной квадратичной формой), не позволяющая применять аппроксимацию нормальным распределением.

Известны способы обнаружения и определения двумерного пеленга и частоты источников радиоизлучения, представленные, например, в [Шевченко В.Н., Емельянов Г.С., Вертоградов Г.Г. Способ обнаружения и определения двумерного пеленга и частоты источников радиоизлучения. Патент РФ № 2190236, G01S 5/04].

Способ включает в себя следующие этапы:

1. Когерентный прием сигналов, одновременно попадающих в текущую полосу приема, когерентный перенос на более низкую частоту, синхронное преобразование временных реализаций в цифровую форму.

2. Синхронную регистрацию принятых одночастотных и многочастотных сигналов для всех баз, преобразование Фурье и вычисление комплексных коэффициентов взаимной корреляции спектральной плотности на каждой частоте принятых сигналов. После чего вычисляют модуль данных комплексных коэффициентов взаимной корреляции и сравнивают его значение с фиксированным порогом корреляции, выбранным в соответствии с критерием Неймана-Пирсона. Сигналы с частотами, на которых превышен порог, объединяют в i-й сигнал и идентифицируют его как обнаруженный сигнал, принадлежащий одному передатчику с полосой частот δf_i,, образованной идентифицированными к данному сигналу спектральными отсчетами. Пеленгование осуществляют по реальной части сформированного двумерного углового спектра: по максимумам этого углового спектра определяют азимутальные и угломестные пеленги i-х сигналов передатчиков, обнаруженных в полосе приема.

Однако в данном способе имеются следующие недостатки.

1. Способ основан на использовании «опорной антенны», вследствие чего не учитывается, что взаимный спектр сигнала в каналах приема необходимо определять для всех возможных комбинаций пар антенн. В случае приема сигналов с помощью многоканального моноимпульсного обнаружителя-пеленгатора (ОП) указанное обстоятельство является существенным недостатком данного способа, неоправданно не использующим имеющиеся технические возможности радиоэлектронной аппаратуры ОП и снижающим показатели эффективности как решения задачи идентификации спектральных отсчетов по принадлежности к сигналу одного ИРИ, так и пеленгования ИРИ. Кроме того, наличие опорного канала может приводить к ухудшению точности и достоверности пеленгования в зависимости от того, какой из каналов антенной системы (АС) выбран опорным, что в реальных условиях функционирования ОП при их размещении на носителях различных типов обусловлено наличием эффекта «затенения» опорного канала в зависимости от его взаимного расположения относительно остальных антенн АС, а также объектов, расположенных в непосредственной близости к АС (например, мачтового устройства).

2. Способ предполагает вычисление реальной части двумерного комплексного углового спектра сигналов, что не в полной мере соответствует результатам решения задачи пеленгования в рамках теории статистической радиотехники. Максимум модуля углового спектра характеризует наибольший по амплитуде отклик с фазированной многоканальной АС в направлении на ИРИ, при этом фазирование обеспечивается лишь при вычислении модуля углового спектра.

3. Выражение для решающей статистики неприменимо в случае приема двух частотно неразделимых сигналов с близкими энергиями, что в условиях характерной для ведения радиомониторинга априорной неопределённости относительно уровней принимаемых сигналов, интенсивности шума, направлений прихода и числа источников радиоизлучения, приводит к возрастанию вероятности пропуска сигналов, принимаемых от двух источников.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому, является способ двухсигнального обнаружения и пеленгования частотно-неразделимых радиосигналов при неизвестной дисперсии шума приемных каналов с помощью ненаправленных антенн, образующих N-элементную антенную решетку [Уфаев В.А., Уфаев Д.В., Хрипушин В.Д., Хрипушин Д.В., Шайдулин И.И., Кузнецов А.И. Способ обнаружения и пеленгования радиосигналов. Патент РФ №2289146, G01S 5/04], принятый за прототип.

Способ-прототип включает следующие процедуры.

1. Синхронный прием временных реализаций с выходов всех N идентичных антенн, типа вертикальный вибратор, АС в пространственных каналах обнаружителя-пеленгатора.

2. Синхронное измерение на выходах антенн комплексных амплитуд радиосигналов многоканальным радиоприемным устройством цифрового типа с числом каналов, равным числу антенн, путем применения быстрого преобразования Фурье (БПФ)

где

- мнимая единица,

k - порядковый номер радиосигнала при общем количестве K<3,

- комплексная амплитуда k-го радиосигнала при приеме его в центре решетки,

n - порядковый номер элемента АС (n=1…N),

θ_0k, β_0k - истинные азимут и угол места прихода k-го радиосигнала,

- шумы n-го приемного канала, включающие шум мирового фона, шумы антенны и радиоприемного устройства,

- набег фаз радиосигналов в местах расположения антенн,

λ - длина волны излучений,

R - радиус АС,

θ, β - углы прихода радиоволн в горизонтальной (азимут) и вертикальной (угол места) плоскостях;

Отсчет по азимуту осуществляют по часовой стрелке от северного направления. Отсчет угла места от поверхности Земли. Значения величин рассчитывают с заданной (например, 1°) дискретностью, определяемой требуемой точностью пеленгования, и заносят в запоминающее устройство до начала работы. Таким образом, при пеленговании в пределах 360° по азимуту и 90° по углу места общий объем запоминающего устройства составляет 360⋅90⋅N комплексных чисел.

Полученные значения запоминаются в буферном запоминающем устройстве на время последующей обработки, включающей в себя два этапа.

3. На первом этапе комплексные амплитуды радиосигналов последовательно считываются и усредняются, вследствие чего находится средняя по совокупности антенн мощность принятых радиосигналов

,

4. По считанным из запоминающего устройства комплексным амплитудам радиосигналов формируется угловой спектр первого порядка

.

Далее по следующему правилу определяют координаты (оценку азимута и угла места источника радиоизлучения с максимальной амплитудой радиосигнала) и значение его максимума, которое нормируют на рассчитанное в усреднителе значение мощности P

,

Таким образом, после первого этапа, в запоминающее устройство записывают следующие параметры: средняя мощность принятых радиосигналов P, угловой спектр первого порядка , соответствующие точке максимума поворачивающие векторы и значение углового спектра первого порядка , значение нормированного максимума квадрата модуля углового спектра первого порядка L1, координаты максимума углового спектра первого порядка .

5. Второй этап обработки заключается в считывании выходных параметров, описанных в пункте 4, определении значения нормированной диаграммы направленности антенной решетки при ориентации ее в направлении координат максимума углового спектра первого порядка

Синхронно с этим из оперативного запоминающего устройства считывают максимальное значение углового спектра первого порядка , которое в умножителе умножают на значение нормированной диаграммы направленности антенной решетки (1). Полученный результат вычитают в вычитателе из углового спектра первого порядка , который поступает с выхода запоминающего устройства на первый вход вычитателя и в делителе делят на результат функционального преобразования нормированной диаграммы направленности решетки . Таким образом, определяют угловой спектр второго порядка

.

Далее рассчитывается квадрат модуля углового спектра второго порядка и по следующим соотношениям находятся координаты максимума и его значение, нормированное на среднюю мощность P

,

.

Координаты максимума соответствуют азимуту и углу места источника излучения с меньшей амплитудой радиосигнала.

6. Окончательное решение о наличии радиосигналов и их числе выносится в решающем устройстве, где статистику

сравнивают с первым порогом С1, выбранным в соответствии с критерием Неймана-Пирсона, исходя из заданной вероятности ложной тревоги

Если порог не превышен, принимают решение об отсутствии сигналов, иначе определяют и сравнивают со вторым порогом С2 отношение вида

.

Порог С2 также выбирается исходя из критерия Неймана-Пирсона, обеспечивая заданную вероятность ложной тревоги.

7. При превышении второго порога С2 выносят решение о наличии радиосигнала одного источника с углами прихода , в противном случае – решение о наличии радиосигналов двух источников с углами прихода и .

В соответствии с приведенным описанием, способ-прототип имеет следующие недостатки:

1. Решающее правило (п. 5-6) способа-прототипа справедливо, когда антенны обнаружителя-пеленгатора являются идентичными и ненаправленными, а их диаграммы направленности имеют единичную амплитуду, не зависящую от направления прихода радиоволн источников радиосигналов, и описываются функциями вида .

В общем случае при наличии взаимных влияний в АС обнаружителя-пеленгатора, а также в случае использования амплитудно-направленных антенных элементов для решающих статистик, описанных в п.5-6, становятся не справедливыми, что приводит к ухудшению показателей эффективности указанного способа и определяет ограничение его применимости.

2. Задача обнаружения и пеленгования решается для каждого спектрального отсчета независимо, способ-прототип не предполагает выполнение процедуры отождествления и накопления спектральных отсчетов в случае принятие решения о принадлежности радиоизлучений одному и тому же источнику. Это приводит к повышению вычислительных затрат при реализации указанного способа по каждому спектральному отсчету радиосигнала, и не позволяет за счет увеличения объема используемой информации при накоплении спектральных отсчетов радиосигналов повысить эффективность их последующей цифровой обработки, включающей процедуру пеленгования источников радиоизлучений.

3. Способ-прототип не позволяет оценить соотношение уровней сигналов, принимаемых от различных частотно-неразделимых источников. Данная оценка совместно с оценкой направлений на источники обеспечивает повышение эффективности решения ряда важных практических задач радиомониторинга, например, задач контроля излучений источников в условиях преднамеренных помех.

4. В ряде практических ситуаций при приеме радиосигналов двух частотно-неразделимых источников в зависимости от соотношения уровней принимаемых сигналов и их направлений прихода, а также структуры и характеристик направленности элементов АС обнаружителя-пеленгатора, применение односигнального обнаружения и пеленгования (в частности, применяемое в способе-прототипе формирование углового спектра первого порядка и нахождение по положению его максимума оценок азимута и угла места, соответствующих источнику с максимальной амплитудой) может приводить к пропускам сигналов или ложным срабатываниям. Поэтому использование результата одномерной глобальной максимизации при наличии двух источников радиосигналов в общем случае не целесообразно, так как получаемая в результате максимизации углового спектра первого порядка оценка азимута и угла места является случайной величиной, зависящей от многих факторов, в том числе, от соотношения уровней принимаемых сигналов, центральной частоты принимаемых сигналов и их пространственного разнесения.

Указанные недостатки определяют ограничения области применения способа-прототипа, которые в условиях характерной для ведения радиомониторинга априорной неопределенности относительно уровней принимаемых сигналов, их направлений прихода, интенсивности шума и числа источников радиосигналов, а их наличие не позволяет использовать способ-прототип в современных (перспективных) многоканальных системах радиомониторинга.

Задачей, на решение которой направлен предлагаемый способ, является повышение показателей эффективности адаптивного пространственно-многоканального обнаружения и пеленгования двух частотно-неразделимых источников радиосигналов в условиях характерной для ведения радиомониторинга априорной неопределенности относительно уровней принимаемых сигналов, их направлений прихода, интенсивности шума и числа источников радиосигналов, в том числе при близких энергиях принимаемых радиосигналов.

Для решения поставленной задачи в способе адаптивного пространственно-многоканального обнаружения и пеленгования двух частотно-неразделимых источников радиоизлучения, включающем синхронный прием временных реализаций с выходов всех антенн антенной системы (АС) в пространственных каналах обнаружителя-пеленгатора, одновременно попадающих в текущую полосу приема (анализа), синхронное преобразование временных реализаций в цифровую форму, вычисление отсчетов быстрого преобразования Фурье каждой оцифрованной реализации в каждом пространственном канале обнаружителя-пеленгатора, согласно изобретению, реализуется накопление сформированных по принятым временным реализациям матриц взаимных энергий, вычисление первой решающей статистики

,

где

,

- матрица коэффициентов межканальной корреляции аддитивного шума (при отсутствии корреляции шума матрица является диагональной единичной),

(•)^-1 - обратная матрица,

nb - порядковый номер спектрального отсчета (nb=1,…Nb),

Tr(•) - оператор следа матрицы (сумма диагональных элементов),

(•)^H - оператор Эрмитова сопряжения;

h,m=1…N - индексы пространственных каналов;

сравнение решающей статистики с нижним порогом С1 и верхним порогом С2, вычисляемыми в соответствии с критерием Неймана-Пирсона и обеспечивающими требуемую постоянную вероятность ложной тревоги; в случае превышения второго порога C2 – принятие решения о том, что спектральный отсчет соответствует сигналу одного источника радиоизлучения и расчет оценки азимута и угла места по формуле:

,

где

- пеленгационный рельеф,

- векторная комплексная диаграмма направленности АС с произвольной структурой и характеристиками направленности антенных элементов;

в случае, если первый порог C1 не превышен, принимается решение о том, что спектральный отсчет является шумовым; соответствующие отсчеты накапливаются и усредняются по формуле

,

где b - индекс суммирования по «шумовым» спектральным отсчетам (b=1,…,B);

B - количество спектральных отсчетов, отнесенных к шумовым;

- диагональные элементы матрицы взаимных энергий

шумовых спектральных отсчетов;

n - порядковый номер элемента AC (n=1…N);

N - число антенных элементов;

P - оценка средней мощности шума;

если спектральный отсчет попал в «зону неопределенности» – (между нижним C1 и верхним C2 порогами, реализуется дополнительная обработка, включающая в себя блок обработки спектральных отсчетов, отнесенных на этапе селекции к «зоне неопределенности»: вычисление второй решающей статистики

и сравнение ее с третьим порогом C3, в случае превышения порога – группирование и накопление спектральных отсчетов, формирование и расчет глобального максимума пеленгационного рельефа; формирование третьей решающей статистики

и сравнение ее с четвертым порогом C4; в случае превышения порога – принятие решения о том, что спектральный отсчет соответствует сигналам от двух источников радиоизлучения и расчет оценок направлений и уровней принимаемых сигналов.

Заявляемый способ заключается в следующем.

Каждый отсчет БПФ временных реализаций представляет собой комплексную амплитуду в элементарном частотном канале (ЭЧК), ширина полосы которого обратно пропорциональна длительности временной реализации. Совокупность спектральных отсчетов во всех N пространственных каналах обнаружителя-пеленгатора, принадлежащих одному и тому же ЭЧК, характеризует распределение падающей на АС радиоволны на частоте данного ЭЧК.

Спектральное представление временных реализаций обеспечивает возможность определения спектрального состава радиосигналов (то есть совокупности отсчетов БПФ, принадлежащих радиосигналам одного, в случае односигнального обнаружения, или двух, в случае двухсигнального обнаружения, источников радиосигналов) при имеющейся в реальных условиях априорной неопределённости.

Среди совокупности спектральных отсчетов в текущей полосе приема (анализа) определяются «односигнальные» отсчеты, шумовые отсчеты и отсчеты, попавшие в «зону неопределенности», которые могут относится как к «односигнальным», так и к «двухсигнальным» отсчетам. Спектральные отсчеты, попавшие в «зону неопределенности» подлежат дополнительной обработке, в результате которой выносится решение о принадлежности отсчета к «односигнальным», либо к «двухсигнальным» отсчетам.

Таким образом, в результате решения поставленной задачи, предлагаемый способ адаптивного пространственно-многоканального обнаружения и пеленгования двух частотно-неразделимых источников радиоизлучения предполагает выполнение следующих процедур:

1. Синхронный прием временных реализаций с выходов всех N (N≥2) антенн АС в пространственных каналах обнаружителя-пеленгатора, одновременно попадающих в текущую полосу приема (анализа), синхронное преобразование временных реализаций в цифровую форму, вычисление отсчетов преобразования Фурье оцифрованной реализации в каждом пространственном канале ОП.

2. Синхронное измерение на выходах антенн комплексных амплитуд радиосигналов многоканальным радиоприемным устройством цифрового типа с числом каналов, равным числу антенн, путем применения БПФ

,

где

- векторная комплексная диаграмма направленности АС с произвольной структурой и характеристиками направленности антенных элементов;

Отсчет по азимуту осуществляют по часовой стрелке от северного направления, отсчет угла места – от поверхности Земли. Значения величин рассчитывают с заданной (например, 1°) дискретностью, определяемой требуемой точностью пеленгования, и заносят в запоминающее устройство до начала работы. Таким образом, при пеленговании в пределах 360° по азимуту и 90° по углу места общий объем запоминающего устройства составляет 360⋅90⋅N комплексных чисел.

Полученные значения запоминаются в буферном запоминающем устройстве на время последующей обработки, включающей в себя, в отличии от прототипа, три этапа.

3. На первом этапе комплексные амплитуды радиосигналов считываются последовательно. Далее, в отличи от прототипа, для расчета средней мощности P выполняется первичное двухпороговое корреляционное обнаружение для всех спектральных отсчетов, по результатам которого спектральные отсчеты полосы приема (анализа) разделяются на три группы: шумовые (не содержащие информацию об источниках радиосигналов), содержащие информацию о сигнале одного источника и отсчеты, которые содержат информацию о двух источниках радиосигналов. Рассчитываются канальные и взаимные энергии спектральных отсчетов, которые накапливаются по временным реализациям, и вычисляется предложенная в [Артемов М.Л., Афанасьев О.В., Абрамова Е.Л., Сличенко М.П. Способ адаптивного пространственно-многоканального обнаружения спектральных компонент сигналов источников радиоизлучения. Патент РФ №2696022, G01S 5/04] статистика односигнального корреляционного обнаружения

, (2)

где

,

- матрица коэффициентов межканальной корреляции аддитивного шума (при отсутствии корреляции шума матрица является диагональной единичной),

(•)^-1 - обратная матрица,

nb - порядковый номер спектрального отсчета (nb=1,…Nb),

Tr(•) - оператор следа матрицы (сумма диагональных элементов),

(•)^H - оператор Эрмитова сопряжения;

h,m=1…N - индексы пространственных каналов;

которая сравнивается с нижним порогом C1 и верхним порогом C2 (C1≤ρ≤C2).

В случае если нижний порог C1 не превышен, то принимается решение о том, что данный спектральный отсчет является шумовым. Спектральные отсчеты, отнесенные к шумовым, впоследствии усредняются.

,

где b - индекс суммирования по «шумовым» спектральным отсчетам (b=1,…,B);

B - количество спектральных отсчетов, отнесенных к шумовым;

- диагональные элементы матрицы взаимных энергий шумовых спектральных отсчетов.

Результатом усреднения (3) является оценка средней мощности шума, которая рассчитывается не по всем спектральным отсчетам, а только по тем, которые отнесены к шумовым. Если же верхний порог C2 превышен, то принимаемся решение о том, что в спектральном отсчете содержится информация о сигнале от одного источника радиоизлучения и в запоминающее устройство записывается номер соответствующего спектрального отсчета.

В случае, когда значение статистики находится внутри «зоны неопределенности» в пределах интервала от C1 до C2 спектральный отсчет может принадлежать как к сигналу одного ИРИ, так и к сигналам от двух ИРИ. В этом случае в запоминающее устройство записывается номер соответствующего спектрального отсчета для его последующей обработки.

Таким образом, в запоминающее устройство записывают следующие параметры: средняя мощность шумовых отсчетов (оценка дисперсии шума), номера спектральных отсчетов, отнесенных к сигналу от одного источника, и номера спектральных отсчетов, попавших в «зону неопределенности».

4. В отличие от прототипа (п. 4 описания прототипа), в предлагаемом способе на втором этапе обнаружения и пеленгования спектральных отсчетов формируется статистика энергетического обнаружения.

Для спектральных отсчетов, превысивших верхний порог C2, применяется односигнальное двумерное пеленгование, подробно описанное в статье [Артемов М.Л., Сличенко М.П. Современный подход к развитию методов пеленгования радиоволн источников радиоизлучения // Антенны. 2018. № 5. С. 31-37.]

,

где

- пеленгационный рельеф,

- векторная комплексная диаграмма направленности АС с произвольной структурой и характеристиками направленности антенных элементов,

и производится процедура отождествления спектральных отсчетов по принадлежности к одному источнику радиоизлучения согласно [Артемов М.Л., Афанасьев О.В., Абрамова Е.Л., Коненков Е.А., Сличенко М.П. Способ адаптивного отождествления спектральных отсчетов по принадлежности к сигналу одного источника радиоизлучения. Патент РФ №2696093, G01S 5/04].

Для каждого спектрального отчета, отнесенного на этапе 1 (п.3) к «зоне неопределенности», рассчитывается следующая статистика

,

и сравнивается с порогом C3. Если порог не превышен (γ≤C3), то принимается решение о том, что спектральный отсчет принадлежит сигналу с малым уровнем принимаемой энергии, излучаемому одним источником радиосигналов. Если же статистика оказывается больше порога (γ>C3), то принимается решение о наличии сигнала от одного или двух источников и формируется пеленгационный рельеф.

Таким образом, по окончании второго этапа запоминаются следующие выходные параметры: оценка средней мощности шума, номера спектральных отсчетов, попавших в «зону неопределенности» на первом этапе и матрицы взаимных энергий для соответствующих номеров спектральных отсчетов.

5. Для разрешения неопределенности относительно количества источников, применяется процедура двухсигального обнаружения и пеленгования. Для этого формируется пеленгационный рельеф M(θ₁,β₁,θ₂,β₂), который является функцией углов направлений на два источника радиосигнала, то есть находится совместная оценка азимутов и углов места путем глобальной максимизации пеленгационного рельефа

6. Решающее правило принятия решение о приеме сигналов от одного или двух источников состоит в сравнении с порогом следующей статистики

.

В случае, если порог не превышен ( ), выносится решение о наличии сигнала от одного источника.

Если же порог превышен ( ), то принимается решение о наличии сигналов от двух источников. Оценка направления на каждый источник определяется как аргументы глобального максимума пеленгационного рельефа , а соотношение принимаемых уровней сигналов находятся по формулам:

,

где

,

- десятичный логарифм.

Параметры (C1, C2, C3, C4), являющиеся порогами обнаружения и указанные в пунктах 3, 4, 6, выбираются в соответствии с критерием Неймана-Пирсона и обеспечивают требуемую постоянную вероятность ложной тревоги.

Предлагаемый способ адаптивного пространственно-многоканального обнаружения и пеленгования двух частотно-неразделимых источников радиоизлучения лишен перечисленных недостатков прототипа, а именно:

1. Правила принятия решений о количестве источников радиосигналов (п.п. 3, 4, 6) предлагаемого способа справедливы в случае АС с произвольной структурой и характеристиками направленности антенных элементов, и в частности, в 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. В предлагаемом способе реализуется процедура накопления по каждому спектральному отсчету матриц взаимных энергий, что позволяет в случае моноимпульсного приема временных реализаций обеспечить повышение показателей эффективности отождествления за счет повышения выходного отношения сигнал/шум, в свою очередь процедура формирования углового спектра, предложенная в прототипе, не предполагает выполнения накопления спектральных компонент сигналов, что не позволяет за счет накопления информации повысить показатели эффективности последующего пеленгования ИРИ.

3. В описанном способе пеленгование осуществляется не для каждого спектрального отсчета, а для совокупности отсчетов, отождествленных по принадлежности к одному источнику, что значительно сокращает вычислительные затраты при реализации способа в аппаратуре систем радиомониторинга.

4. В предлагаемом способе выполняется оценка принимаемых уровней сигналов от различных частотно-неразделимых источников. Данная информация обеспечивает дополнительные знания об источниках радиосигналов и, вследствие этого, повышает эффективность оценки числа источников радиосигналов и их пеленгования.

5. В предлагаемом способе оценки азимутов и углов места от обоих источников находятся совместно по положениям глобального максимума пеленгационного рельефа , что уменьшает вероятность пропуска сигналов или ложных срабатываний. Использование результата глобальной максимизации пеленгационного рельефа и вычисление совместных оценок направлений прихода радиоволн, позволяет повысить точность соответствующих оценок и тем самым уменьшить вероятность пропуска сигналов и вероятность ложного обнаружения.

Предлагаемый способ обеспечивает возможность адаптивного пространственно-многоканального обнаружения и пеленгования двух частотно-неразделимых источников радиосигналов с близкими уровнями энергии принимаемых сигналов в условиях характерной для ведения радиомониторинга априорной неопределенности относительно уровней принимаемых сигналов, их направлений прихода, интенсивности шума и числа источников радиосигналов.

Блок-схема устройства для реализации предлагаемого способа (обнаружителя-пеленгатора), представленная на фиг. 1 и фиг. 2

На фиг. 1 приняты следующие обозначения:

1 – N-канальная (N>3) антенная система (АС);

2 – N-канальное радиоприемное устройство (РПУ), обеспечивающее многократный N-канальный прием временных реализаций;

3 – блок оцифровки временных реализаций;

4 – блок вычисления быстрого преобразования Фурье (БПФ) временных реализаций;

5 – первое запоминающее устройство, в котором хранятся спектральные отсчеты принимаемых сигналов;

6 – блок селекции всех спектральных отсчетов, включающий в себя следующие подблоки:

6.1 – блок формирования матриц взаимных энергий;

6.2 – второе запоминающее устройство, содержащее матрицы взаимных энергий;

6.3 – блок вычисления первой решающей статистики;

6.4 – первое двухпороговое решающее устройство;

6.5 – третье запоминающее устройство, содержащее номера спектральных отсчетов, попавших в «зону неопределенности»;

6.6 – четвертое запоминающее устройство, содержащее номера спектральных отсчетов превысивших второй порог C2;

6.7 – блок отождествления и группирования спектральных отсчетов по принадлежности к одному источнику радиосигнала;

6.8 – блок односигнального пеленгования;

6.9 – блок оценки средней мощности шума по отсчета, не превысившим первый порог ;

6.10 – пятое запоминающее устройство, содержащее результат, вычисленный в блоке 6.9.

На фиг. 2 обозначено:

7 – блок обработки спектральных отсчетов, отнесенных на этапе селекции (пункты 6.1 – 6.10) к «зоне неопределенности», включающий в себя следующие блоки:

7.1 – блок вычисления второй решающей статистики;

7.2 – второе решающее устройство;

7.3 – шестое запоминающее устройство, содержащее номера спектральных отсчетов превысивших третий порог C3;

7.4 – блок кластеризации спектральных отсчетов (пороговое группирование по частотной близости);

7.5 – блок расчета средневзвешенной частоты для каждого кластера и накопления взаимных энергий по принадлежности к одному кластеру;

7.6 – седьмое запоминающее устройство (накопленные взаимные энергии каждого кластера);

7.7 – блок хранения массива значений векторной комплексной диаграммы направленности ;

7.8 – блок формирования пеленгационного рельефа;

7.9 – блок расчета глобального максимума пелегационного рельефа;

7.10 – блок вычисления третьей решающей статистики;

7.11 – третье решающее устройство;

7.12 – блок поиска положения глобального пеленгационного рельефа;

7.13 – блок оценки отношения уровней принимаемых сигналов.

Устройство содержит последовательно соединенные N-канальную АС, N-канальное РПУ 2, блок оцифровки временных реализаций 3, БПФ 4 и первое запоминающее устройство 5, выход которого соединен с входом блока селекции всех спектральных отсчетов 6, являющимся входом блока формирования взаимных энергий 6.1, выход которого через последовательно соединенные второе запоминающее устройство 6.2, блок вычисления первой решающей статистики 6.3, первое двухпороговое решающее устройство 6.4 соединен с входом третьего запоминающего устройства 6.5, выход которого является первым выходом блока селекции всех спектральных отсчетов 6. Кроме того, второй выход первого двухпорогового решающего устройства 6.4 через блок оценки средней мощности шума 6.9 соединен с входом пятого запоминающего устройства 6.10, выход которого является вторым выходом блока селекции всех спектральных отсчетов 6. Третий выход первого двухпорогового решающего устройства 6.4 через последовательно соединенные четвертое запоминающее устройство 6.6 и блок отождествления и группирования спектральных отсчетов по принадлежности к одному источнику радиосигнала 6.7 соединен с входом блока односигнального пеленгования 6.8. Второй выход второго запоминающего устройства 6.2 является третьим выходом блока селекции всех спектральных отсчетов 6. Первый, второй и третий выходы блока селекции всех спектральных отсчетов 6 соединены с соответствующими входами блока обработки спектральных отсчетов 7, являющимися входами блока вычисления второй решающей статистики 7.1, выход которого через последовательно соединенные второе решающее устройство 7.2, шестое запоминающее устройство 7.3, блок кластеризации спектральных отсчетов 7.4, блок расчета средневзвешенной частоты для каждого кластера и накопления взаимных энергий по принадлежности к одному кластеру 7.5, седьмое запоминающее устройство 7.6, блок формирования пеленгационного рельефа 7.8, блок расчета глобального максимума пеленгационного рельефа 7.9 и блок вычисления третьей решающей статистики 7.10 соединен с входом третьего решающего устройства 7.11, выход которого соединен с входами блока поиска положения глобального максимума пеленгационного рельефа 7.12 и блока оценки отношения уровней принимаемых сигналов 7.13, выходы которых являются выходами устройства. При этом первый вход блока вычисления второй решающей статистики 7.1 соединен со вторым входом блока вычисления третьей решающей статистики 7.10. Третий вход блока вычисления второй решающей статистики 7.1 соединен со вторым входом блок расчета средневзвешенной частоты для каждого кластера и накопления взаимных энергий по принадлежности к одному кластеру 7.5. Выход блока хранения массива значений векторной комплексной диаграммы направленности соединен со вторым входом блока формирования пеленгационного рельефа 7.8.

Устройство работает следующим образом.

N-канальная АС с векторной комплексной диаграммой направленности принимает временные реализации, поступающие затем в блок 2, который осуществляет многократный последовательный во времени синхронный (когерентный) прием временных реализаций с выходов всех антенн АС в пространственных каналах обнаружителя-пеленгатора. Затем блок 3 синхронно преобразует принятые временные реализации в цифровую форму. В блоке 4 для каждой оцифрованной реализации в каждом пространственном канале обнаружителя-пеленгатора происходит вычисление отсчетов преобразования Фурье

,

где n=1…N - индексы пространственных каналов;

nb - порядковый номер спектрального отсчета.

Блок 5 обеспечивает регистрацию комплексных амплитуд радиосигналов на время последующей обработки.

В блоке 6, состоящем из совокупности блоков 6.1 - 6.10, реализуется селекция всех спектральных отсчетов по принадлежности спектрального отсчета к сигналу от одного источника, к шуму или к «зоне неопределенности». При этом в блоке 6.1 формируется матрица взаимных энергий для каждого спектрального отсчета

,

где (•)^*оператор комплексного сопряжения;

и запоминается на время обработки в блоке 6.2.

В блоке 6.3 вычисляется первая решающая статистика корреляционного обнаружения для каждого спектрального отсчета по формуле (2).

В блоке 6.4 решающая статистика сравнивается с двумя порогами.

В случае если первый порог не превышен (ρ<C1), соответствующие спектральные отсчеты в блоке 6.9 накапливаются, усредняются и дают оценку средней мощности шума

.

Пятое запоминающее устройство блока 6.10 предназначено для хранения значения средней мощности шума, вычисленной в блоке 6.9.

Если же в блоке 6.4 принимается решение о том, что спектральный отсчет попал в «зону неопределенности» (C1≤ρ≤C2), то соответствующий спектральный отсчет запоминается в блоке 6.5.

В случае если корреляционная статистика, сформированная в блоке 6.3, превышает верхний порог (ρ>C2), номер соответствующего спектрального отсчета поступает на вход блока 6.6, далее – в блок отождествления и группирования спектральных отсчетов 6.7 и с его выхода поступает на вход блока односигнального пеленгования 6.8, в котором реализуется оценка пеленга и уровня принимаемого сигнала.

Таким образом, после селекции всех спектральных отсчетов, в блоке 6.10 хранится значение средней мощности шума, поступающие потом на вход блоков 7.1 и 7.10. В блоке 6.5 хранятся номера спектральных отсчетов, отнесенных к «зоне неопределенности», поступающие на вход блока 7.1. Блок 6.2 обеспечивает хранение взаимных энергий каждого спектрального отсчета, поступающих на вход блоков 7.1 и 7.5.

При вычислении в блоке 7.1 второй решающей статистики, данные считываются из блоков 6.2, 6.5, 6.10

При этом в блоке 7.2 реализуется сравнение рассчитанной в блоке 7.1 статистики энергетического обнаружения для соответствующего спектрального отсчета с третьим порогом . Если в блоке 7.2 принимается решение о превышении порога (), то номер соответствующего спектрального отсчета запоминается в блоке 7.3, обеспечивающем хранение всех спектральных отчетов, для которых энергетический порог оказался превышен.

С бока 7.3 поступают номера спектральных отсчетов, превысивших порог по энергетике, на вход блока порогового группирования спектральных отсчетов по принадлежности к одному кластеру 7.4, с выхода которого взаимные энергии каждого кластера поступают в блок 7.5, реализующий расчет средневзвешенной частоты для каждого кластера и накопление взаимных энергий по принадлежности к одному кластеру. На второй вход блока 7.5 поступают данные со второго запоминающего устройства 6.2. Накопленные в блоке 7.5 взаимные энергии и массив комплексных коэффициентов диаграммы направленности антенной системы, хранящийся в блоке 7.7, поступают на вход блока формирования пелегационного рельефа 7.8

Выходной параметр блока 7.9 и оценка средней мощности шума, хранящаяся в блоке 6.10, поступают на соответствующие входы блока 7.10, в котором рассчитывается третья решающая статистика, которая сравнивается с порогом в блоке 7.11. Если порог превышен, тогда в блоках 7.12 и 7.13 рассчитываются оценки азимутов и углов места, а также оценки уровней принимаемых сигналов соответственно.

Для оценки технического результата предлагаемого способа (повышения эффективности обнаружения и пеленгования при приеме частотно неразделимых радиосигналов двух источников радиоизлучения при характерной для задачи радиомониторинга априорной неопределенности относительно интенсивности шума, уровней принимаемых сигналов, их направлений прихода и числа принимаемых сигналов), разработана математическая модель и проведено моделирование в пакете Matlab R2017b. Моделирование выполнено для приема радиосигналов двух источников радиоизлучения антенной системой с векторной комплексной диаграммой направленности При моделировании аддитивные канальные шумы считались гауссовскими.

Результаты сравнения характеристик предлагаемого способа с прототипом [Уфаев В.А., Уфаев Д.В., Хрипушин В.Д., Хрипушин Д.В., Шайдулин И.И., Кузнецов А.И. Способ обнаружения и пеленгования радиосигналов. Патент РФ №2289146, G 01 S 5/04] приведены на фиг. 3, фиг. 5 и фиг. 7.

Способу-прототипу соответствуют приведенные на указанных фигурах сечения угловых спектров первого и второго порядка в декартовых и полярных координатах, построенные при следующих значениях параметров: для фиг. 3 – число элементов антенной системы равно N=15, отношение радиуса антенной решетки к длине волны принимаемых сигналов r/λ=3.25, для фиг.5 – N=11, r/λ=2, для фиг.7 – N=7, r/λ=1.

Предлагаемому способу соответствуют приведенные на указанных фигурах сечения пеленгационного рельефа в декартовых и полярных координатах, построенные при следующих значениях параметров:

для фиг.4 –для параметров: N=15, r/λ=3.25, для фиг.6 – N=11, r/λ=2,

для фиг.8 – N=7, r/λ=1.

При этом истинные направления прихода радиоволн на фигурах 3 - 8 отмечены точками и равны (θ₀₁,β₀₁,θ₀₂,β₀₂)=(180°,45°,170°,35°). Отношение сигнал/шум первого и второго источника равны и соответственно.

Из приведенных графиков видно, что прототип обладает ограниченной областью применимости. Так, при уменьшении числа антенных элементов N и величины r/λ, оценка, полученная методом глобальной максимизации углового спектра первого порядка, является неустойчивой. Видно, что на фиг. 3 оценка близка к истинному значению, однако при уменьшении параметров N и r/λ (фиг. 5) увеличивается смещение оценки, а на фиг. 7 видно, что оценка направления расположена между двумя источника. Это приводит к ошибке формирования углового спектра второго порядка и вычисления по положению его максимума оценок направлений, соответствующим источнику с меньшим уровнем принимаемого сигнала, увеличению вероятности пропуска и ложного приема радиосигналов. Из приведенных на фиг. 4, 6, 8 графиков видно, что предлагаемый способ обеспечивает устойчивую оценку направления излучения, принимаемого от двух частотно неразделимых ИРИ.

Достигаемый технический результат – повышение эффективности адаптивного пространственно-многоканального обнаружения и пеленгования двух частотно-неразделимых источников радиосигналов, количественно проявляющийся в повышении вероятности правильного обнаружения при фиксированной вероятности ложной тревоги, повышении достоверности определения числа частотно-неразделимых источников радиосигналов, точности и достоверности определения направлений прихода и соотношения уровней энергии принимаемых радиосигналов в условиях аддитивного гауссовского шума неизвестной интенсивности.

Список источников информации.

1. Тарасов Г.А., Кабаков И.В., Незванов А.Ю. Способ многоканального обнаружения и оценивания числа источников излучения с адаптивным выравниванием мощностей шумов в канале. Патент РФ № 2204840,
G 01 S 3/00.

2. Шевченко В.Н., Емельянов Г.С., Вертоградов Г.Г. Способ обнаружения и определения двумерного пеленга и частоты источников радиоизлучения. Патент РФ № 2190236, G 01 S 5/04.

3. Уфаев В.А., Уфаев Д.В., Хрипушин В.Д., Хрипушин Д.В., Шайдулин И.И., Кузнецов А.И. Способ обнаружения и пеленгования радиосигналов. Патент РФ №2289146, G 01 S 5/04.

4. Артемов М.Л., Афанасьев О.В., Абрамова Е.Л., Сличенко М.П. Способ адаптивного пространственно-многоканального обнаружения спектральных компонент сигналов источников радиоизлучения. Патент РФ №2696022, G 01 S 5/04.

5. Артемов М.Л., Сличенко М.П. Современный подход к развитию методов пеленгования радиоволн источников радиоизлучения // Антенны. 2018. № 5. С. 31-37.

6. Артемов М.Л., Афанасьев О.В., Абрамова Е.Л., Коненков Е.А., Сличенко М.П. Способ адаптивного отождествления спектральных отсчетов по принадлежности к сигналу одного источника радиоизлучения. Патент РФ №2696093, G 01 S 5/04.

Способ адаптивного пространственно-многоканального обнаружения и пеленгования двух частотно-неразделимых источников радиоизлучения, включающий синхронный прием временных реализаций с выходов всех антенн антенной системы (АС) в пространственных каналах обнаружителя-пеленгатора, одновременно попадающих в текущую полосу приема (анализа), синхронное преобразование временных реализаций в цифровую форму, вычисление отсчетов быстрого преобразования Фурье каждой оцифрованной реализации в каждом пространственном канале обнаружителя-пеленгатора, отличающийся тем, что реализуется накопление сформированных по принятым временным реализациям матриц взаимных энергий, вычисление первой решающей статистики

,

где

,

- матрица коэффициентов межканальной корреляции аддитивного шума (при отсутствии корреляции шума матрица является диагональной единичной),

(•)^-1 – обратная матрица,

nb - порядковый номер спектрального отсчета (nb=1,…Nb),

Tr(•) - оператор следа матрицы (сумма диагональных элементов),

(•)^H - оператор Эрмитова сопряжения;

h,m=1…N – индексы пространственных каналов;

сравнение решающей статистики с нижним порогом C1 и верхним порогом C2, вычисляемыми в соответствии с критерием Неймана-Пирсона и обеспечивающими требуемую постоянную вероятность ложной тревоги; в случае превышения второго порога C2 – принятие решения о том, что спектральный отсчет соответствует сигналу одного источника радиоизлучения и расчет оценки азимута и угла места по формуле:

,

где

- пеленгационный рельеф,

- векторная комплексная диаграмма направленности АС с произвольной структурой и характеристиками направленности антенных элементов;

в случае если первый порог C1 не превышен, принимается решение о том, что спектральный отсчет является шумовым; соответствующие отсчеты накапливаются и усредняются по формуле

,

где b - индекс суммирования по «шумовым» спектральным отсчетам (b=1,…,B);

B - количество спектральных отсчетов, отнесенных к шумовым;

- диагональные элементы матрицы взаимных энергий шумовых спектральных отсчетов;

n - порядковый номер элемента АС (n=1…N);

N - число антенных элементов;

P - оценка средней мощности шума;

если спектральный отсчет попал в «зону неопределенности» – (между нижним C1 и верхним C2 порогами, реализуется дополнительная обработка, включающая в себя блок обработки спектральных отсчетов, отнесенных на этапе селекции к «зоне неопределенности»: вычисление второй решающей статистики

и сравнение ее с третьим порогом C3, в случае превышения порога – группирование и накопление спектральных отсчетов, формирование и расчет глобального максимума пеленгационного рельефа; формирование третьей решающей статистики

и сравнение ее с четвертым порогом C4; в случае превышения порога – принятие решения о том, что спектральный отсчет соответствует сигналам от двух источников радиоизлучения и расчет оценок направлений и уровней принимаемых сигналов.