Способ пеленгации источников излучения, основанный на анализе корреляционной матрицы сигналов, в радиолокационных станциях с фазированной антенной решеткой с пространственным возбуждением и системой облучателей с цифровым выходом
DIRECTION FINDING METHOD FOR RADIATION SOURCES BASED ON THE ANALYSIS OF THE CORRELATION MATRIX OF SIGNALS IN THE PHASED ANTENNA ARRAY RADAR STATIONS WITH SPATIAL EXCITATION AND A DIGITAL OUTPUT FEED SYSTEM

Предлагаемое изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в радиолокационных системах (РЛС) с фазированной антенной решеткой (ФАР) с пространственным возбуждением для пеленгации источников излучения с повышенной разрешающей способностью.
Известен способ [1 – Справочник по радиолокации. Под ред. М. Сколника. Пер. с англ. – М., Сов. Радио, 1978. Т. 1, с. 17] определения пеленга источника излучения, который заключается в измерении мощности сигнала на выходе ФАР  при сканировании диаграммой направленности (ДН) антенны сектора обзора и определении направления на источники излучения по направлениям оси ДН, соответствующим максимумам значений измеренной мощности.
Недостатком данного способа является то, что разрешающая способность и точность пеленгации источника излучения определяется шириной ДН, и для достижения высокой точности требуется просканировать весь сектор обзора узконаправленным лучом, что требует значительных временных затрат, обусловленных необходимостью перефазировки элементов антенной решетки (АР) для отклонения луча.
Известен способ определения направлений на источники излучения и углового разрешения источников [2 – Способ определения направлений на источники излучения и углового разрешения источников RU2392634C1 2010], обладающий более высокой точностью и разрешающей способностью, заключающийся в разбиении сектора обзора на элементы разрешения по направлению, угловая ширина которых определяется требуемыми точностью определения направлений на источники излучения и углом разрешения источников по величине гораздо меньше, чем угловая ширина диаграммы направленности приемной антенны, и определении направления на источники излучения, как направления на элементы разрешения, соответствующих максимумам в полученном при распределении мощностей источников излучения по элементам разрешения в секторе обзора.
Недостатком данного способа являются высокие временные затраты для обеспечения достаточной точности определения источников излучения, обусловленные необходимостью многократной перефазировки элементов АР для отклонения луча.
Известен способ пеленгования источника сигнала [3 – Способ пеленгования источника сигнала RU2192651С2 2002], включающий в себя вычисление пространственного спектра Фурье сигнала пеленгуемого источника радиоизлучения, принятого элементами двух линейных эквидистантных АР, причем АР расположены перпендикулярно друг относительно друга, вычисление комплексно-сопряженного пространственного спектра Фурье пеленгуемого сигнала, принятого элементами второй линейной эквидистантой АР, преобразование масштабов обоих вычисленных пространственных спектров пеленгуемого сигнала по логарифмическому закону, выполнение корреляционного анализа и измерение относительного сдвига преобразованных пространственных спектров пеленгуемого сигнала, оценивание пеленга источника сигнала.
Недостатком данного способа является низкая точность оценки пеленга источника радиоизлучения и требование наличия двух ортогональных АР.
Известны способы пеленгации, основанные на анализе корреляционной матрицы сигналов, обладающие высокой точностью и требующие временных затрат, определяемых вычислительными возможностями техники. Например, способ [4 – Digital beamforming radar system and method with super-resolution multiple jammer location US 2003/0085832 A1] подразумевает:
W
w
z
1. Прием -элементной цифровой АР сигнала электромагнитного излучения, формирующих комплексную матрицу сигналов  где  – номер элемента цифровой АР,  – номер временного отсчета.
2. Вычисление по комплексной матрице принятых сигналов корреляционной матрицы по формуле:
Z
где  – общее число цифровых отсчетов, Н – символ комплексного сопряжения и транспонирования.
E
R
3. Определение собственных векторов  корреляционной матрицы .
4. Построение пеленгационного рельефа   по формуле:
j
k
где  – вектор гипотеза, θ, ε – азимут и угол места соответственно,  – мнимая единица,  – волновое число,   – вектор координат элементов АР.
5. Определение азимута  и угла места  источников излучения по максимумам пеленгационного рельефа.
Подобный ему способ пеленгации, описанный в [5 – Адаптация и сверхразрешение в антенных решетках [Текст]/ Ратынский М.В. – М.: Радио и связь, 2004.]  отличается только пунктами 3 и 4 вместо выполнения которых осуществляется построение пеленгационного рельефа по формуле:
Последние были выбраны в качестве прототипов, однако способы, основанные на анализе корреляционной матрицы сигналов, обладают недостатками, которые заключаются в том, что они чувствительны к наличию амплитудно-фазовых ошибок в каналах обработки и применимы только к АР с цифровой обработкой сигналов в каждом элементе решетки, то есть не применимы к ФАР с пространственным возбуждением.
В условиях использования системы из нескольких облучателей с цифровым выходом в ФАР с пространственным возбуждением (фиг. 1), способы-прототипы применить возможно, однако сопутствующие этому амплитудно-фазовые искажения сигналов в каналах приведут к низкой разрешающей способности и точности определения пеленга источников изучения которая определяется шириной максимума пеленгационного рельефа (фиг. 2).
Технической задачей, на решение которой направленно предлагаемое изобретение, является повышение точности пеленгации источников излучения в РЛС с ФАР с пространственным возбуждением и системой облучателей с цифровым выходом за счет уменьшения амплитудно-фазовых искажений сигнала в каналах обработки.
Для решения поставленной задачи разработан способ пеленгации источников излучения, основанный на анализе корреляционной матрицы сигналов, в РЛС с ФАР с пространственным возбуждением и системой облучателей с цифровым выходом.
Разработанный способ основан на введении в системе из нескольких облучателей фазового распределения, которое компенсирует искажение фазового фронта электромагнитной волны источника излучения при прохождении ФАР, возникающего из-за разности хода волн от каждого элемента АР до каждого облучателя и наличия фазового распределения на элементах ФАР. Величина компенсирующего фазового распределения на элементах системы облучателей для случая одной угловой координаты (одномерного случая), определяется формулой:
i –
p –
P
N
где  – вектор, характеризующий компенсирующее фазовое распределение на элементах системы облучателей,  – вектор координат облучателей (фиг. 1),  – вектор, характеризующий фазовое распределение на элементах ФАР, номер элемента ФАР,номер облучателя,  – количество облучателей,  – количество элементов ФАР,  – расстояние от облучателя до сечения ФАР.
μ
μ
На фиг. 2 и 3 представлены пеленгационые рельефы для различных значений отношения сигнал шум, полученные для случаев отсутствия фазового распределения  и при его применении соответственно. Сравнение пеленгационных рельефов на этих графиках показывает более высокое качество в случае применения фазового распределения на элементах  системы облучателей.
Проведенный сравнительный анализ заявленного способа и аналогов-прототипов показал, что заявленный способ отличается тем, что выполняется дополнительная операция, выполняемая между пунктами 1 и 2 способов-прототипов, заключающаяся в введении фазового распределения в системе облучателей и обеспечивающая уменьшение фазовых искажений сигналов в каналах обработки.
Техническим результатом является повышение точности определения направления на источники излучения при использовании способов пеленгации, основанных на анализе корреляционной матрицы сигналов, в РЛС с ФАР с пространственным возбуждением и системой облучателей с цифровым выходом.
Таким образом, заявляемое изобретение не известно из уровня техники, а также отсутствуют источники, в которых были бы представлены способы, имеющие признаки, сходные с признаками, отличающими заявляемое изобретение от способов-прототипов, а также свойства, совпадающие со свойствами заявляемого изобретения, в связи с чем можно считать, что оно обладает существенными отличиями.
Изобретение иллюстрируется следующими чертежами:
Фиг. 1 – ФАР с пространственным возбуждением и системой облучателей с цифровым выходом.
Фиг. 2 – Пеленгационный рельеф для источника излучения с направления 10° при различных отношениях сигнал шум, полученный при применении способов-прототипов пеленгации, основанных на анализе корреляционной матрицы сигналов в РЛС с ФАР с пространственным возбуждением и системой облучателей с цифровым выходом.
μ
Фиг. 3 – Пеленгационный рельеф для источника излучения с направления 10° при различных отношениях сигнал шум, полученный при применении заявленного способа пеленгации, основанного на анализе корреляционной матрицы сигналов в РЛС с ФАР с пространственным возбуждением и системой облучателей с цифровым выходом, отличающегося введением компенсирующего фазового распределения .
Фиг. 4 – Пояснение принципа компенсации амплитудно-фазовых искажений в ФАР с пространственным возбуждением и решеткой из облучателей с цифровым выходом.
Фиг. 5 – Устройство, реализующее способ пеленгации источников излучения, основанный на анализе корреляционной матрицы сигналов, в РЛС с ФАР с пространственным возбуждением и системой облучателей с цифровым выходом.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Для достижения технического результата, необходимо уменьшить амплитудно-фазовые искажения приемных каналов, возникающие при использовании системы облучателей с цифровым выходом.
p
s
Рассмотрим характеристику направленности ФАР и -го облучателя для одномерного случая, которая в направлении на источник  имеет вид:
N
s
i
p
i
p
i
p
p
i
где  – количество элементов ФАР,  - направление на -й источник излучения,  – значение амплитуды сигнала в -м элементе ФАР принимаемое -м каналом,  – значение фазы поля в -м элементе ФАР, характеризующее фазовое распределение на элементах ФАР,  – координата -го облучателя,  – координата -го элемента ФАР,   – значение квадратичного фазового набега в -м канале, возникающего из-за разности хода волн между -м облучателем и -м элементом ФАР.
p
Значение комплексной огибающей сигналов в -м канале выражается:
s
p
s –
S
–
где  – значение комплексной огибающей сигнала, создаваемого -м источником,   – значение собственного шума в -м канале,  номер источника излучения, количество источников излучения.
s
Анализ выражений 5 и 6 показывает, что разность фаз комплексной огибающей сигнала от источника  в каналах состоит из трех составляющих:
1. информативной составляющей, содержащий сведения о пеленге на источник излучения и представляющий собой линейный фазовый набег на элементах ФАР, возбуждаемый плоским фронтом электромагнитной волны
p
i
2. неинформативной составляющей, представляющей собой квадратичный фазовый набег, возникающий из-за разности хода волн между -м облучателем и -м элементом
3. фазового распределения на элементах
Наличие 2-й и 3-й составляющих искажают фазовый фронт электромагнитной волны, который перестает быть плоским, а отличие фазового фронта от плоского снижает как разрешающую способность, так и точность пеленгации источников излучения, основанных на анализе корреляционной матрицы сигналов. Таким образом, для повышения разрешающей способности и точности пеленгации требуется уменьшить фазовые искажения, вносимые квадратичным фазовым набегом  и наличием фазового распределения  Этого можно добиться путем введения компенсирующего фазового распределения на решетке из облучателей  равного по величине сумме квадратичного набега фаз   и фазового распределения  но обратного им по знаку. Принцип компенсации поясняется на фиг. 4. Тогда выражение 6 преобразуется к виду:
p
где  – компенсирующий фазовый сдвиг на -м облучателе.
Таким образом, способ пеленгации источников излучения, основанный на анализе корреляционной матрицы сигналов в РЛС с ФАР с пространственным возбуждением и системой облучателей с цифровым выходом включает следующие операции:
– прием сигнала ФАР с пространственным возбуждением и системой облучателей с цифровым выходом;
– применения компенсирующего фазового распределения
R
– вычисление корреляционной матрицы сигналов ;
– вычисление пеленгационного рельефа Q(θ);
– определение угловых координат источников излучения по максимумам пеленгационного рельефа.
Устройство, реализующее данный способ пеленгации источников излучения, основанный на анализе корреляционной матрицы сигналов в РЛС с ФАР с пространственным возбуждением и системой облучателей с цифровым выходом представлено на фиг. 5.
ЛИТЕРАТУРА
1. Справочник по радиолокации. Под ред. М. Сколника. Пер. с англ. – М., Сов. Радио, 1978. Т. 1, с. 17.
2. Способ определения направлений на источники излучения и углового разрешения источников RU2392634C1, 2010.
3. Способ пеленгования источника сигнала RU2192651С2, 2002.
4. Digital beamforming radar system and method with super-resolution multiple jammer location US 2003/0085832 A1.
5. Адаптация и сверхразрешение в антенных решетках [Текст]/ Ратынский М.В. – М.: Радио и связь, 2004.