способ обнаружения малоразмерных подвижных объектов

Формула изобретения

Способ обнаружения малоразмерных подвижных объектов, заключающийся в том, что используют прямые и рассеянные подвижными объектами радиосигналы, излучаемые передатчиками радиоэлектронных систем различного назначения, отличающийся тем, что выбирают передатчики, совмещенные в пространстве и излучающие на множестве частот узкополосные и широкополосные радиосигналы, синхронно принимают на множестве частот поиска многолучевые сигналы, включающие прямые и рассеянные радиосигналы, синхронно преобразуют принятые радиосигналы в цифровые сигналы, из цифровых сигналов формируют и запоминают узкополосные и широкополосные опорные и разведываемые сигналы для заданных азимутально-угломестных направлений приема, для каждого азимутально-угломестного направления приема преобразуют полученные на каждой частоте узкополосных радиосигналов опорный и разведываемый сигнал в зависящую от бистатической дальности и бистатической скорости комплексную двумерную функцию взаимной корреляции (ДФВК), усредняют по частоте модули комплексных ДФВК, определяют по максимумам усредненной ДФВК число рассеянных сигналов и фиксируют значения бистатической дальности и бистатической скорости каждого рассеянного сигнала, преобразуют полученные на каждой частоте широкополосных радиосигналов опорный и разведываемый сигналы в соответствующую полученному значению бистатической скорости каждого рассеянного сигнала и зависящую от бистатической дальности комплексную одномерную функцию взаимной корреляции (ОФВК), усредняют по частоте модули комплексных ОФВК, определяют по максимумам усредненной ОФВК уточненное значение бистатической дальности рассеянного сигнала, по значениям бистатической скорости, уточненной бистатической дальности и значению азимутально-угломестного направления приема каждого рассеянного сигнала выполняют обнаружение и пространственную локализацию подвижных объектов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах контроля наземного, морского и воздушного пространства с использованием прямых и рассеянных объектами радиосигналов, излучаемых множеством неконтролируемых и контролируемых передатчиков радиоэлектронных систем различного назначения.

Достижение высокой эффективности обнаружения, локализации и идентификации наземных, морских и воздушных объектов ограничивается существенной априорной неопределенностью размеров, ориентации в пространстве, отражающих свойств и параметров движения объектов, а также несовершенством известных способов обнаружения и слежения за подвижными объектами.

Технология скрытного обнаружения и слежения за подвижными объектами, использующая естественный радиоподсвет целей, создаваемый на множестве частот радиоизлучениями передатчиков различного назначения: широковещательные (УКВ FM-радиовещание, цифровое телевидение), 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 все возрастающего количества широкого класса малоразмерных подвижных объектов.

Известен способ обнаружения малоразмерных подвижных объектов [1], заключающийся в том, что выбирают передатчик, излучающий радиосигнал с расширенным спектром, синхронно принимают решеткой антенн многолучевые радиосигналы, включающие прямой радиосигнал передатчика и рассеянные от объектов радиосигналы этого передатчика, синхронно преобразуют ансамбль принятых антеннами радиосигналов в цифровые сигналы, из цифровых сигналов формируют прямые и сжатые рассеянные сигналы, сравнивают выделенные прямые и рассеянные сигналы и определяют временные задержки, доплеровские сдвиги и направления прихода рассеянных сигналов, по временным задержкам, доплеровским сдвигам и направлениям прихода выполняют обнаружение и пространственную локализацию подвижных объектов.

Данный способ не содержит операций подавления когерентной помехи в виде прямого радиосигнала передатчика и, как следствие, обеспечивает эффективное обнаружение только близко расположенных и интенсивно отражающих объектов.

Более эффективным является способ обнаружения малоразмерных подвижных объектов [2], свободный от этого недостатка и выбранный в качестве прототипа.

Согласно этому способу:

используют прямые и рассеянные подвижными объектами радиосигналы, излучаемые передатчиками радиоэлектронных систем различного назначения с непрерывными линейно-частотно-модулированными радиосигналами,

периодически несинхронно и синхронно с облучающим сигналом принимают на множестве частот поиска многолучевые радиосигналы, включающие прямые и рассеянные объектами радиосигналы выбранного передатчика,

принятые радиосигналы преобразуют в цифровые сигналы,

из цифровых сигналов путем радиоэлектронной компенсации некогерентных и когерентных помех выделяют полезные рассеянные подвижными объектами сигналы, по которым выполняют обнаружение и пространственную локализацию объектов.

Способ-прототип за счет выбора передатчиков, излучающих линейно-частотно-модулированные радиосигналы (ЛЧМ), и применения радиоэлектронной компенсации широкого класса когерентных и некогерентных помех обеспечивает высокую вероятность обнаружения и точность пространственной локализации крупных подвижных объектов.

Однако эффективность способа-прототипа при обнаружении малоразмерных подвижных объектов существенно снижается.

Это обусловлено несколькими причинами. Радиозаметность подвижных объектов зависит от отношения характерных размеров объекта L к длине волны источника подсвета и при резко снижается. В связи с этим, при обнаружении малоразмерных подвижных объектов (типичные размеры малоразмерных подвижных объектов равны 0,5-5 м) применение источников подсвета ВЧ диапазона частот (2-30 МГц, длина волны 10-150 м) не эффективно и необходимо использование источников, функционирующих в более высокочастотных ОВЧ-УВЧ диапазонах (30-3000 МГц, длина волны 0,1-10 м). Однако в отличие от ВЧ диапазона частот, в котором независимо от времени суток функционирует множество ЛЧМ передатчиков, осуществляющих диагностику ионосферного канала распространения радиоволн, в ОВЧ-УВЧ диапазонах ЛЧМ передатчики используются не так широко и, как правило, кратковременно. В связи с этим возможность выбора и применения для подсвета малоразмерных целей ЛЧМ передатчиков существенно ограничена и, как следствие, вероятность обнаружения малоразмерных объектов с использованием способа-прототипа крайне низка.

Таким образом, недостатком способа-прототипа является низкая вероятность обнаружения малоразмерных подвижных объектов.

Техническим результатом изобретения является повышение вероятности обнаружения малоразмерных подвижных объектов.

Повышение вероятности обнаружения достигается за счет выбора передатчиков, совмещенных в пространстве и излучающих на множестве частот узкополосные и широкополосные радиосигналы, а также применения новых операций комбинированной обработки прямых и рассеянных объектами радиосигналов, выбранных передатчиков.

Технический результат достигается тем, что в способе обнаружения малоразмерных подвижных объектов, заключающемся в том, что используют прямые и рассеянные подвижными объектами радиосигналы, излучаемые передатчиками радиоэлектронных систем различного назначения, согласно изобретению, выбирают передатчики, совмещенные в пространстве и излучающие на множестве частот узкополосные и широкополосные радиосигналы, синхронно принимают на множестве частот поиска многолучевые сигналы, включающие прямые и рассеянные радиосигналы, синхронно преобразуют принятые радиосигналы в цифровые сигналы, из цифровых сигналов формируют и запоминают узкополосные и широкополосные опорные и разведываемые сигналы для заданных азимутально-угломестных направлений приема, для каждого азимутально-угломестного направления приема преобразуют полученные на каждой частоте узкополосных радиосигналов опорный и разведываемый сигнал в зависящую от бистатической дальности и бистатической скорости комплексную двумерную функцию взаимной корреляции (ДФВК), усредняют по частоте модули комплексных ДФВК, определяют по максимумам усредненной ДФВК число рассеянных сигналов и фиксируют значения бистатической дальности и бистатической скорости каждого рассеянного сигнала, преобразуют полученные на каждой частоте широкополосных радиосигналов опорный и разведываемый сигналы в соответствующую полученному значению бистатической скорости каждого рассеянного сигнала и зависящую от бистатической дальности комплексную одномерную функцию взаимной корреляции (ОФВК), усредняют по частоте модули комплексных ОФВК, определяют по максимумам усредненной ОФВК уточненное значение бистатической дальности рассеянного сигнала, по значениям бистатической скорости, уточненной бистатической дальности и значению азимутально-угломестного направления приема каждого рассеянного сигнала выполняют обнаружение и пространственную локализацию подвижных объектов.

В основу предложенного способа положен тот факт, что узкополосные радио- и широкополосные телерадиовещательные передатчики в подавляющем большинстве сконцентрированы в одной точке пространства, например, размещены на Останкинской телевышке. Благодаря этому обеспечивается совпадение бистатической геометрии всех возможных пар передатчик-приемник и открывается возможность осуществления операций комбинированной двухэтапной обработки сигналов, повышающих вероятность обнаружения малоразмерных подвижных объектов. При этом на первом этапе в силу малых вычислительных затрат, требуемых при обработке узкополосных радиосигналов, выполняют быстрое обнаружение сигналов целей, высокоточное определение бистатической скорости и грубое (в силу узкой ширины спектра радиосигналов) определение бистатической дальности каждой цели путем обработки прямых и рассеянных радиосигналов. Для повышения отношения сигнал/шум и, следовательно, повышения вероятности обнаружения и точности оценивания параметров радиосигналов, рассеянных малоразмерными объектами, применяют усреднение информации, получаемой с использованием нескольких узкополосных передатчиков подсвета. Полученные на первом этапе значения бистатической скорости объектов используют на втором этапе для уточнения их бистатических дальностей. При этом вместо традиционно выполняемой вычислительно затратной двумерной обработки выполняют одномерную обработку рассеянных объектами широкополосных радиосигналов, используя полученные на первом этапе значения бистатической скорости в качестве целеуказания. Это существенно сокращает требуемые для осуществления предложенного способа вычислительные затраты. Усредняя полученные уточненные бистатические дальности, достигают дополнительное увеличение точности определения бистатических дальностей и вероятности обнаружения.

Операции способа поясняются чертежом.

Устройство, в котором реализуется предложенный способ, содержит последовательно соединенные систему приема и предварительной обработки 1, систему моделирования и выбора радиопередатчиков (РПД) 2, вычислительную систему 3 и устройство отображения 4. В свою очередь система приема и предварительной обработки 1 включает K устройств приема и обработки 1-k, каждое из которых состоит из антенной решетки 1-k-1, , преобразователя частоты 1-k-2, аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 1-k-3, формирователя опорных сигналов 1-k-4, формирователя разведываемых сигналов 1-k-5, АЦП 1-k-6, преобразователя частоты 1-k-7 и антенной решетки 1-k-8. Вычислительная система 3 включает формирователь ДФВК 3-1, устройство усреднения 3-2, устройство обнаружения и локализации 3-3, устройство усреднения 3-4 и формирователь ОФВК 3-5. В свою очередь формирователь ДФВК 3-1 содержит параллельно соединенные вычислители 3-1-1 3-1-K_i, где K_i - число каналов приема узкополосных радиосигналов, а формирователь ОФВК 3-5 включает параллельно соединенные вычислители 3-5-1 3-5-K_j, где K_j - число каналов приема широкополосных радиосигналов. При этом система 2 соединена с входом устройства 3-3, а также имеет интерфейс для соединения с внешней базой РПД.

Подсистема 1 является аналогово-цифровым устройством и предназначена для многоканального приема на множестве K=K_i+K_j частот поиска и предварительной обработки прямых сигналов передатчиков и рассеянных воздушными объектами сигналов этих передатчиков. Каждое устройство 1-k предназначено для приема многолучевого радиосигнала на отдельной частоте узкополосного или широкополосного радиосигнала и формирования из принятого радиосигнала цифровых опорных сигналов и разведываемых сигналов. При этом антенная решетка 1-k-1, преобразователь 1-k-2, АЦП 1-k-3 и формирователь 1-k-4 предназначены для формирования опорных сигналов, а антенная решетка 1-k-8, преобразователь 1-k-7, АЦП 1-k-6 и формирователь 1-k-5 предназначены для формирования разведываемых сигналов.

Отметим, что возможны случаи, когда радиосигнал передатчика априорно известен. В таких случаях прямой сигнал передатчика может быть сформирован путем моделирования в системе 2. При этом канал приема и обработки, включающий антенную решетку 1-k-1, преобразователь 1-k-2, АЦП 1-k-3 и формирователь 1-k-4, может быть использован для приема и формирования разведываемых сигналов на дополнительной частоте поиска.

Антенные решетки 1-k-1 и 1-k-8 состоят из N антенн с номерами . Каждая антенна является направленной. Пространственная конфигурация антенной решетки должна обеспечивать измерение азимутально-угломестного направления прихода радиосигналов и может быть произвольной пространственной конфигурации: плоской прямоугольной, плоской кольцевой или объемной, в частности конформной. Преобразователи частоты 1-k-2 и 1-k-7 являются N-канальными, выполнены с общим гетеродином и с полосой пропускания каждого канала, изменяемой в соответствии с шириной спектра принимаемого радиосигнала. Общий гетеродин обеспечивает многоканальный когерентный прием сигналов. АЦП 1-k-3 и 1-k-6 также являются N-канальными и синхронизированы сигналом опорного генератора (для упрощения опорный генератор на схеме не показан). Если разрядность и быстродействие АЦП достаточны для непосредственного аналого-цифрового преобразования входных сигналов, то вместо преобразователей частоты 1-k-2 и 1-k-7 могут использоваться частотно-избирательные полосовые фильтры и усилители. Кроме этого, каждый преобразователь частоты 1-k-2 и 1-k-7 обеспечивает подключение одной из антенн вместо всех антенн решетки для периодической калибровки каналов по внешнему источнику сигнала с целью устранения их амплитудно-фазовой неидентичности. Возможна калибровка по внутреннему источнику сигнала. При этом может быть использован генератор шума, выход которого также подключается вместо всех антенн для периодической калибровки каналов. Формирователи 1-k-4 и 1-k-5 представляют собой вычислительные устройства и предназначены для формирования соответственно опорных и разведываемых цифровых сигналов. Подсистема 2 является вычислительным устройством и предназначена для идентификации, отбора и периодического обновления совокупности передатчиков, облучающих заданную область воздушного пространства узкополосными и широкополосными радиосигналами, а также формирования модельных сигналов выбранных передатчиков. Вычислительная система 3 предназначена для двухэтапной обработки опорных и рассеянных целями сигналов с целью обнаружения и определения их параметров.

Устройство работает следующим образом.

В системе 2 на основе данных внешней базы радиопередатчиков, а также данных об обнаруженных передатчиках, поступающих от формирователей 1-k-4, с использованием программных средств моделирования идентифицируется, выбирается и периодически обновляется совокупность передатчиков, излучающих узкополосные и широкополосные радиосигналы. При моделировании оцениваются возможные зоны покрытия, вероятности обнаружения и достижимые точности локализации подвижных объектов различного класса, которые могут быть обеспечены при различных вариантах размещения передатчиков относительно станции обнаружения-пеленгования. Кроме того, в системе 2 формируются модельные сигналы передатчиков, которые могут быть использованы вместо реальных прямых сигналов передатчиков при априорно известных параметрах синхронизации.

Параметры выбранного множества передатчиков (номер i=1, , K_i и значение несущей частоты узкополосного сигнала, номер j=1, , K_j и значение несущей частоты широкополосного сигнала, ширина спектра, форма и мощность излучаемого сигнала, координаты или расстояние и угловое положение относительно пункта приема) запоминаются в подсистеме 2, поступают в устройство 3-3, а также используются для настройки преобразователей 1-k-2 и 1-k-7. С целью упрощения цепи управления преобразователями не показаны.

По сигналу системы 2 каждая пара преобразователей частоты 1-k-2 и 1-k-7 перестраивается на заданную i-ю частоту приема узкополосного или j-ю частоту приема широкополосного радиосигнала. Многолучевые радиосигналы, включающие прямые сигналы передатчиков и рассеянные объектами радиосигналы этих передатчиков, синхронно принимаются K парами антенных решеток 1-k-1 и 1-k-8 на множестве частот поиска. При этом обеспечивается одновременный прием радиосигналов выбранного множества K=K_i+K_j передатчиков. Принятый каждым антенным элементом с номером n каждой антенной решетки 1-k-1 и 1-k-8 зависящий от времени t радиосигнал x _n(t) фильтруется по частоте и переносится на более низкую частоту в каждом преобразователе 1-k-2 и 1-k-7. Сформированные в преобразователях 1-k-2 и 1-k-7 ансамбли радиосигналов и синхронно преобразуются с помощью АЦП 1-k-3 и 1-k-6 в ансамбли цифровых сигналов и , где z - номер временного отсчета сигнала, которые поступают в формирователи 1-k-4 и 1-k-5.

В каждом формирователе 1-k-4 из цифровых сигналов и для заданных азимутально-угломестных направлений приема на каждой i-й или j-й частоте поиска формируется опорный сигнал и определяются параметры сформированного сигнала. Кроме этого, в каждом формирователе 1-k-5 из цифровых сигналов и для заданных азимутально-угломестных направлений приема на каждой частоте поиска формируются разведываемые сигналы.

Формирование опорных и разведываемых сигналов может быть осуществлено различными способами, например путем адаптивной пространственной фильтрации цифровых сигналов и [3, стр.7].

При этом, например, для формирования опорного и разведываемых сигналов на i-й частоте узкополосных радиосигналов выполняют следующие действия:

- сформированный в АЦП 1-k-3 ансамбль цифровых сигналов в формирователе 1-k-4 преобразуется в матричный цифровой сигнал и в сигнал пространственной корреляционной матрицы R ⁽ⁱ⁾, сигналы X⁽ⁱ⁾ и R⁽ⁱ⁾ запоминаются в формирователе 1-k-4, а также поступают в формирователь 1-k-5, где также запоминаются;

- сигнал корреляционной матрицы R⁽ⁱ⁾ преобразуется в формирователе 1-k-4 в сигнал оптимального весового вектора для формирования опорного сигнала, а в формирователе 1-k-5 в сигналы оптимальных весовых векторов для формирования разведываемых сигналов, где v⁽ⁱ⁾ - вектор наведения, определяемый азимутально-угломестным направлением приема радиосигнала, его частотой и геометрией решетки, - номер азимутально-угломестного направления приема разведываемого радиосигнала;

- в формирователе 1-k-4 матричный цифровой сигнал X⁽ⁱ⁾ преобразуется в опорный , а в формирователе 1-k-5 - в разведываемые сигналы, где - символ эрмитова сопряжения.

Сформированные на каждой i-й частоте узкополосных радиосигналов опорные s ⁽ⁱ⁾ и разведываемые сигналы поступают в формирователь 3-1 вычислительной системы 3, где совместно со значением выбранного азимутально-угломестного направления приема разведываемого радиосигнала запоминаются. Полученные аналогичным способом на каждой j-й частоте широкополосных радиосигналов опорные s⁽ⁱ⁾ и разведываемые сигналы поступает в формирователь 3-5 вычислительной системы 3, где также совместно со значением выбранного азимутально-угломестного направления приема разведываемого радиосигнала запоминаются. Кроме того, опорные сигналы и их параметры (частота f_i или f_j азимутально-угломестное направление прихода и уровень сигнала) поступают в систему 2, где также запоминаются.

В формирователе 3-1 для каждого азимутально-угломестного направления приема опорный s⁽ⁱ⁾ и разведываемый сигналы, полученные на каждой i-й частоте узкополосных радиосигналов, преобразуются в зависящую от бистатической дальности d и бистатической скорости комплексную ДФВК ⁽ⁱ⁾(d, ). Для увеличения скорости поиска комплексные ДФВК ⁽ⁱ⁾(d, ) формируются одновременно в K_i вычислителях 3-1-1, , 3-1-K_i. Полученные в формирователе 3-1 K _i комплексных ДФВК ⁽ⁱ⁾(d, ) поступают в устройство 3-2.

В устройстве 3-2 выполняются следующие действия:

- модули комплексных ДФВК усредняются по частоте .

Эта операция увеличивает отношение сигнал/шум пропорционально корню из числа K_i частот и, как следствие, повышает вероятность обнаружения малоразмерных объектов;

- по максимумам усредненной ДФВК определяется число рассеянных сигналов и фиксируются значения бистатической дальности и бистатической скорости каждого p-го рассеянного сигнала.

Найденные значения числа рассеянных сигналов, бистатической дальности и бистатической скорости каждого p-го рассеянного сигнала поступают в устройство 3-3, где запоминаются. Кроме этого, найденные значения бистатической скорости каждого p-го рассеянного сигнала поступают в формирователь 3-5.

В формирователе 3-5 опорный s^(j) и разведываемый сигналы, полученные на каждой j-ой частоте широкополосных радиосигналов, преобразуются в соответствующую найденному значению бистатической скорости каждого p-го рассеянного сигнала и зависящую от бистатической дальности комплексную ОФВК . Для увеличения скорости поиска комплексные ОФВК формируются одновременно в K_j вычислителях 3-5-1, , 3-5-K_j. Полученные в формирователе 3-5 комплексные ОФВК поступают в устройство 3-4.

В устройстве 3-4 модули комплексных ОФВК усредняются по частоте . Кроме этого, в устройстве 3-4 по максимумам усредненной ОФВК определяется уточненное значение бистатической дальности p-го рассеянного сигнала.

Отметим, что степень уточнения значения бистатической дальности тем выше, чем больше число частот K_j. Кроме этого, степень уточнения значения бистатической дальности растет с увеличением отношения ширины спектра широкополосного сигнала к ширине спектра узкополосного сигнала. Это обусловлено тем, что при фиксированном отношении сигнал/шум точность оценки дальности тем выше, чем больше ширина спектра сигнала источника подсвета. Так, если в качестве узкополосных сигналов подсвета выбраны сигналы радиостанций УКВ ЧМ радио (диапазон 88-108 МГц) с шириной спектра 100 кГц, а в качестве широкополосных - сигналы радиостанций цифрового телевизионного вещания (диапазон 450-860 МГц) с шириной спектра 7,6 МГц, выигрыш в точности оценивания бистатической дальности может достигать 7600/100=76 раз. Пропорционально увеличению точности оценивания бистатической дальности растет вероятность обнаружения объектов, достигаемая на следующем этапе обработки сигналов.

Уточненное значение бистатической дальности каждого p-го рассеянного сигнала поступает в устройство 3-3.

В устройстве 3-3 по значениям уточненной бистатической дальности (поступившим от устройства 3-3), бистатической скорости (поступившим от устройства 3-2) и значению азимутально-угломестного направления приема каждого p-го рассеянного сигнала (поступающим от системы 2) выполняется обнаружение и пространственная локализация подвижных объектов.

Обнаружение и пространственная локализация подвижных объектов осуществляется известными способами, например [4].

При этом выполняются следующие действия:

1) сравниваются с порогом значения бистатической скорости каждого p-го рассеянного сигнала и при превышении порога принимаются решения об обнаружении p-го подвижного объекта. Порог выбирается исходя из минимизации вероятности пропуска объекта;

2) по значениям уточненной бистатической дальности строится эллипсоид равных бистатических дальностей;

3) по пересечению эллипсоида равных бистатических дальностей и азимутально-угломестного направления приема p-го рассеянного сигнала определяются географические координаты p-го обнаруженного объекта.

В устройстве 4 отображаются результаты обнаружения и пространственной локализации объектов.

Таким образом, за счет выбора передатчиков, совмещенных в пространстве и излучающих на множестве частот узкополосные и широкополосные радиосигналы, а также применения новой совокупности операций комбинированной обработки прямых и рассеянных объектами радиосигналов, выбранных передатчиков, удается решить поставленную задачу с достижением указанного технического результата.

Источники информации

1. US, патент, 7012552 B2, кл. G08B 21/00, 2006 г.

2. RU, патент, 2440588 C1, кл. G01S 13/02, 2012 г.

3. Ратынский М.В. Адаптация и сверхразрешение в антенных решетках. М.: Радио и связь. 2003 г.

4. RU, патент, 2444754, кл. G01S 13/02, 2012 г.