способ пеленгации множества источников радиоизлучения, одновременно попадающих в полосу приема

Формула изобретения

Способ пеленгации множества источников радиоизлучения, одновременно попадающих в полосу приема, включающий когерентный прием сигналов опорной антенной и всеми антеннами, входящими в N-элементную решетку, синхронное преобразование принятых сигналов в цифровые сигналы, восстановление из цифровых сигналов с использованием дискретного преобразования Фурье комплексных спектров опорной и каждый n-й антенны , где f - частоты спектральных составляющих цифровых сигналов, n= 1...; N - номер антенны, запоминание спектров и , определение спектра мощности цифрового сигнала опорной антенны и сравнение его с заданным пороговым значением, объединение смежных спектральных составляющих с частотами, на которых превышен порог, в сигналы с полосами частот f_j и центральными частотами f_cj, которые идентифицируют как сигналы обнаруженных в полосе приема источников, где j - номер сигнала обнаруженного в полосе приема источника, выбор в запомненных комплексных спектрах и спектральных составляющих, попадающих в каждую полосу частот f_j, свертку выбранных спектральных составляющих комплексно-сопряженных опорной и спектральных составляющих остальных антенн в каждой полосе частот f_j для определения комплексных амплитуд обнаруженных сигналов, вычисление комплексного уголовного спектра в узлах сетки наведения антенной решетки, определение азимутального и угломестного пеленга каждого обнаруженного сигнала с номером j, отличающийся тем, что после определения комплексных амплитуд формируют два значения реальной части комплексного углового спектра на границах интервала поиска по углу места, которые образуют первые два узла сетки наведения антенной решетки, по формуле



где d_n(,) - диаграмма направленности n-й антенны;

- азимут наведения антенной решетки;

- угол места наведения антенной решетки;

- модельная фазирующая функция, зависящая от конфигурации антенной решетки,

затем последовательно формируют координаты каждого следующего узла сетки наведения антенной решетки по углу места, при этом адаптируют их значения к значениям координат всех предыдущих узлов и значениям реальной части комплексного углового спектра в этих узлах методом поиска одномерного глобального экстремума до достижения заданной точности пеленгации по углу места, причем для каждой координаты узла сетки по углу места последовательно формируют координаты узлов сетки наведения антенной решетки по азимуту, при этом адаптируют их значения к значениям координат всех предыдущих узлов и значениям реальной части комплексного углового спектра в этих узлах методом поиска одномерного глобального экстремума до достижения заданной точности пеленгации по азимуту, а в качестве угломеcтного и азимутального пеленгов сигнала с номером j принимают значения угла места и азимута, при которых значение реальной части комплексного углового спектра максимально по сравнению с остальными сформированными значениями реальной части комплексного углового спектра.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для пассивного радиоконтроля в двух- и многоканальных системах, предназначенных для пеленгации и имеющих одну антенную систему, способную обеспечивать одновременную индикацию направления прихода различных сигналов.

Современные пеленгаторы представляют собой антенно-вычислительные комплексы для измерения пеленгов по азимуту и углу места, синтезирующие радиоизображение распределения энергии по пространству. 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 задачи, связанные с их поиском, контролем состояния и пеленгацией с высокой точностью.

Известен способ радиоконтроля (см. патент на изобретение RU, 2158002, М. кл. 7 G 01 S 3/14, 5/04 "Способ радиоконтроля", опубликован 20.10.2000. Бюл. 29) [1] , обеспечивающий определение азимутального и угломестного 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 сигналы x_n(t) опорной антенной и всеми антеннами, входящими в N-элементную решетку, где n - номер антенного элемента, причем опорной антенне соответствует n=0, а предметным антеннам - n=1,...,N.

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

3. Восстанавливают из цифровых сигналов с использованием дискретного преобразования Фурье комплексные спектры опорной и каждой n-й антенны , где f - частоты спектральных составляющих цифровых сигналов.

4. Определяют спектр мощности цифрового сигнала опорной антенны .

5. Сравнивают спектр мощности с заданным пороговым значением и объединяют смежные спектральные составляющие с частотами, на которых превышен порог, в сигналы с полосами частот f_j и центральными частотами f_cj, которые идентифицируют как сигналы обнаруженных в полосе приема источников, где j - номер обнаруженного сигнала.

6. Выбирают в запомненных комплексных спектрах и спектральные составляющие, попадающие в каждую полосу частот f_j.

7. Производят свертку выбранных спектральных составляющих - комплексно-сопряженных опорной и остальных антенн - в каждой полосе частот f_j для определения комплексных амплитуд обнаруженных сигналов

8. Умножают комплексные амплитуды обнаруженных сигналов на каждой частоте f_cj 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, а Y - число узлов по углу места, в которых восстанавливается срез азимутального углового спектра на частоте f_cj, на диаграмму направленности n-го антенного элемента , где m=0,..., M-1 - текущий номер узла сетки по углу , а М - число узлов сетки по углу , и фазирующую функцию зависящую от конфигурации антенной решетки.

9. Определяют двумерный комплексный угловой спектр по следующей формуле



10. Вычисляют квадрат модуля двумерного комплексного углового спектра обнаруженных сигналов |D_j(_m, _h)|².

11. Определяют азимутальные _m и угломестные _m пеленги на обнаруженные сигналы по максимуму квадрата модуля комплексного углового спектра |D_j(_m, _m)|².

На фиг.3 приведена сетка наведения антенной решетки с равномерным шагом по углу места и азимуту, используемая в способе-прототипе для формирования значений комплексного углового спектра в ее узлах. Значения шага по углу места и азимуту выбирают, исходя из заданной точности пеленгации, чем она выше, тем из большего числа узлов состоит сетка наведения антенной решетки. Т. к. в каждом узле сетки вычисляют значение комплексного углового спектра, то число вычислительных операций растет с повышением требований к точности пеленгации, при этом повышение точности ограничивается объемом вычислительных ресурсов.

Техническим результатом заявляемого способа является повышение точности пеленгации при сохранении объема используемых вычислительных ресурсов. Это достигается использованием неравномерной сетки, адаптированной под рельеф функции реальной части комплексного углового спектра j-го сигнала источника, вместо равномерной сетки наведения решетки.

Технический результат достигается тем, что способ пеленгации множества источников радиоизлучения, одновременно попадающих в полосу приема, включает когерентный прием сигналов опорной антенной и всеми антеннами, входящими в N-элементную решетку, синхронное преобразование принятых сигналов в цифровые сигналы, восстановление из цифровых сигналов с использованием дискретного преобразования Фурье комплексных спектров опорной и каждой n-й антенны , где f - частоты спектральных составляющих цифровых сигналов, n=1,..., N - номер антенны. Запоминают спектры и . Определяют спектр мощности цифрового сигнала опорной антенны и сравнивают его с заданным пороговым значением. Объединяют смежные спектральные составляющие с частотами, на которых превышен порог, в сигналы с полосами частот f_j и центральными частотами f_cj, которые идентифицируют как сигналы обнаруженных в полосе приема источников, где j - номер сигнала обнаруженного в полосе приема источника. Выбирают в запомненных комплексных спектрах и спектральные составляющие, попадающие в каждую полосу частот f_j. Производят свертку выбранных спектральных составляющих комплексно-сопряженных опорной и спектральных составляющих остальных антенн в каждой полосе частот f_j для определения комплексных амплитуд обнаруженных сигналов. Вычисляют комплексный угловой спектр в узлах сетки наведения антенной решетки. Определяют азимутальный и угломестный пеленги каждого обнаруженного сигнала с номером j.

Согласно изобретению, после определения комплексных амплитуд формируют два значения реальной части комплексного углового спектра на границах интервала поиска по углу места, которые образуют первые два узла сетки наведения антенной решетки, по формуле:



где d_n(,) - диаграмма направленности n-й антенны;

- азимут наведения антенной решетки;

- угол места наведения антенной решетки;

- модельная фазирующая функция, зависящая от конфигурации антенной решетки.

Затем последовательно формируют координаты каждого следующего узла сетки наведения антенной решетки по углу места, при этом адаптируют их значения к значениям координат всех предыдущих узлов и значениям реальной части комплексного углового спектра в этих узлах методом поиска одномерного глобального экстремума до достижения заданной точности пеленгации по углу места. Для каждой координаты узла сетки по углу места последовательно формируют координаты узлов сетки наведения антенной решетки по азимуту, при этом адаптируют их значения к значениям координат всех предыдущих узлов и значениям реальной части комплексного углового спектра в этих узлах методом поиска одномерного глобального экстремума до достижения заданной точности пеленгации по азимуту. В качестве угломестного и азимутального пеленгов сигнала с номером j принимают значения угла места и азимута, при которых значение реальной части комплексного углового спектра максимально по сравнению с остальными сформированными значениями реальной части комплексного углового спектра.

На фиг. 1 приведена структурная схема устройства, в котором реализуется предложенный способ.

На фиг.2 приведена сетка наведения антенной решетки с неравномерным шагом по углу места и азимуту.

Способ пеленгации множества источников радиоизлучения, одновременно попадающих в полосу приема, осуществляется следующим образом:

1. Когерентно принимают и синхронно регистрируют многочастотные сигналы x_n(t) опорной антенной и всеми антеннами, входящими в N-элементную решетку, где n - номер антенного элемента, причем опорной антенне соответствует n=0, а предметным антеннам - n=1,...,N.

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

3. Восстанавливают из цифровых сигналов с использованием дискретного преобразования Фурье комплексные спектры опорной и каждой n-й антенны , где f - частоты спектральных составляющих цифровых сигналов.

4. Запоминают спектры и для последующего их использования при выборе спектральных составляющих.

5. Определяют спектр мощности цифрового сигнала опорной антенны .

6. Сравнивают спектр мощности с заданным пороговым значением и объединяют смежные спектральные составляющие с частотами, на которых превышен порог, в сигналы с полосами частот f_j и центральными частотами f_cj, которые идентифицируют как сигналы обнаруженных в полосе приема источников, где j - номер сигнала обнаруженного в полосе приема источника. Под смежными спектральными составляющими понимаются односвязные области спектральных отсчетов, на которых превышено пороговое значение соответствующими спектральными составляющими спектра мощности.

7. Выбирают в запомненных комплексных спектрах и спектральные составляющие, попадающие в каждую полосу частот f_j.

8. Производят свертку выбранных спектральных составляющих - комплексно-сопряженных опорной и остальных антенн - в каждой полосе частот f_j для определения комплексных амплитуд обнаруженных сигналов.

9. После определения комплексных амплитуд формируют два значения реальной части комплексного углового спектра на границах интервала поиска по углу места, которые образуют первые два узла сетки наведения антенной решетки, по формуле:



где d_n(,) - диаграмма направленности n-й антенны;

- азимут наведения антенной решетки;

- угол места наведения антенной решетки;

- модельная фазирующая функция, зависящая от конфигурации антенной решетки.

Каждый азимут наведения антенной решетки является величиной, зависимой от угла места наведения антенной решетки , т.е. (). Таким образом, первыми двумя сформированными значениями реальной части комплексного углового спектра являются

D_j((_min), _min) и D_j((_max), _max).

10. Затем последовательно формируют координаты каждого следующего узла сетки наведения антенной решетки по углу места _p, при этом адаптируют их значения к значениям координат всех предыдущих узлов и значениям реальной части комплексного углового спектра в этих узлах методом поиска одномерного глобального экстремума (см. в книге Р.Г. Стронгин. Численные методы в многоэкстремальных задачах, "Наука", главная редакция физико-математической литературы, М. , 1978, с. 78-82) [2], до достижения заданной точности пеленгации по углу места. Для чего производят следующие действия:

- формируют сигнал абсолютного значения максимальной относительной первой разности угла места



где g - текущее количество узлов сетки наведения по углу места;

_p - упорядоченные в порядке возрастания значения узлов сетки наведения по углу места, первоначально состоящей из двух узлов ₁ = _min, ₂ = _max;

(_p) - окончательные значения коотрдинат узлов сетки наведения по азимуту, для угла места, равного _p;

- формируют для каждой пары узлов сетки наведения решетки по углу места при р2 значения сигнала характеристики угла места G_p по формуле:





r>1 - заданный коэффициент;

- выбирают максимальное значение сигнала характеристики угла места

- определяют значение координаты очередного узла сетки наведения решетки по углу места по формуле:



и очередное значение D_j((_g+1), _g+1), используя номер максимального значения сигнала характеристики угла места u;

- повторяют операции по формированию значений комплексного углового спектра D_j((_g+1), _g+1) до тех пор, пока _u-_u-1, где - фиксированная погрешность оценки положения максимума углового спектра по углу места.

11. Т.к. значения координат узлов сетки наведения по азимуту _v являются зависимыми от значений соответствующих координат узлов сетки наведения по углу места _p, то для каждой координаты узла сетки по углу места _p последовательно формируют координаты узлов сетки наведения антенной решетки по азимуту _v(_p), при этом адаптируют их значения к значениям координат всех предыдущих узлов и значениям реальной части комплексного углового спектра в этих узлах методом поиска одномерного глобального экстремума до достижения заданной точности пеленгации по азимуту. Для этого производят следующие действия:

- формируют сигнал абсолютного значения максимальной относительной первой разности азимута



где k_p - текущее количество узлов сетки наведения по азимуту при угле места, равном _p;

_v(_p) - упорядоченные в порядке возрастания значения узлов сетки наведения по азимуту для каждого _p, первоначально состоящей из двух узлов ₁(_p) = _min(_p), ₂(_p) = _max(_p);

- формируют для каждой пары узлов сетки наведения решетки по азимуту (_v-1(_p), _v(_p)) при v2 значения сигнала характеристики угла места R_v(_p) по формуле:





r>1 - заданный коэффициент;

- выбирают максимальное значение сигнала характеристики азимута

- определяют значение координаты очередного узла сетки наведения решетки по азимуту по формуле:



и очередное значение D_j(_k+1(_p), _p), используя номер максимального значения сигнала характеристики угла места t;

- повторяют операции по формированию значений комплексного углового спектра D_j(_k+1(_p), _p) до тех пор, пока разность _t(_p)-_t-1(_p). где - фиксированная погрешность оценки положения максимума углового спектра по азимуту;

- в качестве окончательного значения координаты узла сетки наведения решетки по азимуту (_p) для данного _p выбирают _t.

12. В качестве угломестного и азимутального пеленгов сигнала с номером j принимают значения угла места _p и азимута (_p), при которых значение реальной части комплексного углового спектра максимально по сравнению с остальными сформированными значениями реальной части комплексного углового спектра.

Как видно из сравнения фиг.3 и фиг.1, где представлены сетки наведения антенной решетки способа-прототипа и заявляемого способа соответственно, количество узлов обеих сеток одинаково, а точность определения пеленгов в заявляемом способе выше, т.к. на неравномерной сетке фиксированная погрешность оценки положения максимума реальной части углового спектра по углу места и по азимуту ниже, чем на равномерной сетке. Это обусловлено тем, что неравномерная сетка адаптирована под рельеф функции реальной части комплексного углового спектра, т.к. последовательность вычисляемых значений координат узлов сетки всегда сходится к глобальному экстремуму. При этом для достижения заданной точности требуется произвести меньшее число вычислений значений координат узлов сетки, следовательно, точность повышается при том же объеме вычислений. Точность определения глобального экстремума оценена по результатам экспериментов, представленных на рис. 5.1 стр. 212 [2].

Устройство, в котором реализуется предложенный способ, содержит последовательно соединенные антенную систему 1, многоканальный преобразователь частоты (РПУ) 2, многоканальный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 3, вычислитель дискретного преобразования Фурье (FFT) 4, вычислитель спектра мощности цифрового сигнала опорной антенны 5, вычислитель комплексных амплитуд 13, вычислитель реальной части комплексного углового спектра D_j(, ) 14, а также запоминающее устройство спектров опорной и остальных антенн решетки (ЗУ) 6, вход которого соединен со вторым выходом вычислителя FFT 4, а выход соединен со вторым входом вычислителя 13, устройство хранения порога 7, выход которого соединен с четвертым входом вычислителя 13, шлюз 15, устройство отображения 21, блок вычисления значения угла места 22 и блок вычисления окончательного значения азимута 23. Блок вычисления значения угла места 22 состоит из последовательно соединенных устройства инициализации 16, первый вход которого соединен со вторым выходом вычислителя комплексных амплитуд 13, а второй выход - со вторым входом вычислителя реальной части комплексного спектра 14, формирователя сигнала абсолютного значения максимальной относительной первой разности угла места Max 17, второй вход которого соединен с выходом шлюза 15, формирователя сигнала характеристики угла места G_p 18, вычислителя значения очередной координаты узла сетки наведения решетки по углу места _g+1 19 и устройства сравнения 20, первый выход которого параллельно соединен с первым входом устройства отображения 21, третьим входом формирователя сигнала абсолютного значения максимальной относительной первой разности угла места 17 и третьим входом вычислителя комплексных амплитуд 13, а второй выход параллельно соединен со вторым входом устройства отображения 21 и вторым входом устройства инициализации 16. Блок вычисления окончательного значения азимута 22 состоит из последовательно соединенных устройства инициализации 8, первый вход которого соединен с третьим выходом устройства инициализации 16, формирователя сигнала абсолютного значения максимальной относительной первой разности азимута Max(_p) 9, второй вход которого параллельно с первым входом шлюза 15 соединен с выходом вычислителя реальной части комплексного углового спектра 14, формирователя сигнала характеристики азимута R_v(_p) 10, вычислителя значения очередной координаты узла сетки наведения решетки по азимуту _k+1(_p) 11 и устройства сравнения 12, первый выход которого параллельно соединен с третьим входом формирователя сигнала абсолютного значения максимальной относительной первой разности азимута 9 и вторым (управляющим) входом шлюза 15, а второй выход параллельно соединен со вторым входом устройства инициализации 8 и третьим входом устройства отображения 21.

Сигналы, принимаемые антенной решеткой 1, преобразуются на более низкую частоту в преобразователе 2, преобразуются с помощью АЦП 3 в цифровые сигналы х_n(i), где i - номер временного отсчета сигнала, n - номер антенны. В вычислителе 4 восстанавливаются комплексные спектры сигналов опорной и каждой n-й антенны , то есть входные сигналы разбиваются на частотные поддиапазоны. Восстановленные комплексные спектры запоминаются в ЗУ 6. В вычислителе 5 с помощью комплексного спектра опорной антенны вычисляется спектр мощности сигнала опорной антенны . В вычислителе 13 производится сравнение частотных составляющих спектра мощности с порогом, хранящимся в устройстве 7, и объединение смежных спектральных составляющих, на которых превышен порог, в сигналы с полосами частот f_j и центральными частотами f_cj, которые идентифицируют как сигналы обнаруженных в полосе приема источников, где j - номер сигнала обнаруженного в полосе приема источника. Также в вычислителе 13 для каждой полосы частот f_j определяются комплексные амплитуды путем свертки спектральных составляющих комплексно-сопряженных опорной и спектральных составляющих остальных антенн , полученных из ЗУ 6. Далее, согласно управляющему сигналу, поступающему на третий вход вычислителя 13, на его первый выход поступают значения комплексных амплитуд одного из еще не обработанных сигналов. После поступления новых спектров на первый и второй входы вычислителя 13 с его второго выхода поступает управляющий сигнал, который инициирует процесс обработки вычисленных в нем комплексных амплитуд . После поступления управляющего сигнала на первый вход устройства инициализации 16, в нем формируются значения координат первых двух узлов сетки наведения антенной решетки по углу места ₁ = _min и ₂ = _max. Затем величины ₁ и ₂ подаются на второй вход вычислителя реальной части комплексного углового спектра 14, а управляющий сигнал с третьего выхода подается на первый вход устройства инициализации 8. После поступления управляющего сигнала на первый вход устройства инициализации 8 в нем формируются значения координат первых двух узлов сетки наведения антенной решетки по азимуту ₁ = _min и ₂ = _max. Затем величины ₁ и ₂ подаются на третий вход вычислителя реальной части комплексного углового спектра 14. Вычислитель 14 вычисляет значение комплексного углового спектра D_j(, ) по формуле (2) только в случае, если на его первый вход поданы значения комплексных амплитуд обнаруженного сигнала, на его второй вход подано значение координаты узла сетки наведения решетки по углу места, а на его третий вход подано значение координаты узла сетки наведения решетки по азимуту. После поступления значений ₁ и ₂ на третий вход вычислителя 14, в нем производится вычисление значения D_j(₁, ₁), которое подается на второй вход формирователя 9. В блоке 9 производится формирование сигнала абсолютного значения максимальной относительной первой разности азимута по формуле (3), а также накопление значений координат всех узлов сетки наведения решетки по азимуту для текущего угла места и значений реальной части комплексного углового спектра в них. Это накопление необходимо для формирования сигнала абсолютного значения максимальной относительной первой разности азимута и сигнала характеристики азимута. В блоке 10 производится формирование сигнала характеристики азимута по формуле (4). В блоке 11 производится вычисление значения очередной координаты узла сетки наведения решетки по азимуту по формуле (5). В устройстве сравнения 12 производится сравнение значений координат двух последних узлов сетки наведения решетки по азимуту, в случае, если заданная точность нахождения азимута, определяемая погрешностью , не достигнута, значение очередной координаты узла сетки наведения решетки по азимуту передается со второго выхода устройства сравнения 12 на второй вход устройства инициализации 8, что приводит к повторению цикла нахождения значения очередной координаты узла сетки наведения решетки по азимуту. В случае, если заданная точность нахождения азимута достигнута, на первый выход устройства сравнения 12 подается управляющий сигнал. Этот сигнал вызывает сброс накопленных значений в формирователе 9 и открывает шлюз 15, что приводит к соединению выхода устройства 14 и второго входа формирователя 17. В результате в формирователь 17 поступает значение комплексного углового спектра. В блоке вычисления значения угла места 23 производятся действия по вычислению очередного значения координаты узла сетки наведения решетки, аналогичные действиям в блоке 22 для угла места. Т.о. вычисление каждого узла сетки наведения антенной решетки по углу места сопровождается формированием сетки по азимуту. В блоке 20 производится сравнение значений координат двух последних узлов сетки наведения решетки по углу места, в случае, если достигнута заданная точность нахождения угла места, с его первого выхода поступает управляющий сигнал на третий вход блока 13, что инициирует начало обработки комплексных амплитуд следующего обнаруженного сигнала. Одновременно управляющий сигнал блока 20 включает устройство отображения 21, на второй и третий входы которого поступают сигналы, соответствующие значениям, принимаемым за угломестный _p и азимутальный (_p) пеленги.

Источники информации

1. Патент на изобретение RU, 2158002, М. кл. 7 G 01 S 3/14, 5/04 "Способ радиоконтроля", опубликован 20.10.2000. Бюл. 29 - прототип.

2. Р. Г. Стронгин. Численные методы в многоэкстремальных задачах, "Наука", главная редакция физико-математической литературы, М., 1978, с. 78-82, 212.