Алгоритмы повышения точности оценки пеленга в задаче амплитудной моноимпульсной пассивной локации

Методы моделирования и обработки сигналов Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2010, № 5 (2), с. 358-362

УДК 621.396

АЛГОРИТМЫ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ ОЦЕНКИ ПЕЛЕНГА В ЗАДАЧЕ АМПЛИТУДНОЙ МОНОИМПУЛЬСНОЙ ПАССИВНОЙ ЛОКАЦИИ

© 2010 г. А. А. Логинов, О.А. Морозов, М.Ю. Семенова

Нижегородский госуниверситет им. Н.И. Лобачевского loginov@nifti.unn.ru

Поступила в редакцию 28.05.2010

Предложен алгоритм двухэтапной обработки данных в задаче пассивной амплитудной моноим-пульсной пеленгации. Алгоритм включает в себя предварительный расчет пеленга с применением модельных гауссовых диаграмм направленности антенн принимающей системы и корреляционную схему обработки сигналов.

Ключевые слова: пассивная пеленгация, амплитудный моноимпульсный метод, диаграмма направленности, определение амплитуды.

Введение

В активных методах радиолокации оптимальная оценка координат источника излучения обычно производится корреляционным поиском [1], что обусловлено наличием точной информации о принимаемом сигнале. Априорная неопределенность структуры и свойств принимаемого сигнала в задаче пассивной пеленгации существенно снижает точность расчетов. Многие задачи радиолокации, радионавигации, связи требуют повышенной точности оценки амплитуд, которая не может быть достигнута традиционными методами. Основное влияние на величину ошибки пеленгации оказывают наличие боковых лепестков диаграмм направленности (ДН) принимающих антенн и ошибки определения амплитуд сигналов, обусловленные наличием шумов в принимаемых данных. Точность оценки координат источника излучения, характерная для традиционных методов, может быть повышена путем проведения предварительного анализа диаграмм направленности принимающей антенной системы и учета специфики задачи амплитудной моноимпульсной пеленгации при определении амплитуд принимаемых сигналов.

Традиционная схема амплитудного моно-импульсного метода пеленгации предполагает использование пеленгационных характеристик для определения угловых координат источника излучения. Широкое применение в моно-импульсных системах находит суммарно-разностная пеленгационная характеристика, оптимальность которой непосредственно следует

из принципа максимального правдоподобия [2, 3]:

Г (а а ) _ а1 - а2 р (a1, а2) _ ,

а1 + а2

где а1, а2 обычно имеют смысл амплитуд принятых сигналов. Определение угловых координат источника излучения амплитудным моно-импульсным методом включает в себя два последовательных этапа: оценку амплитуд сигналов Д, принятых различными каналами антенной системы, и определение координат источника излучения (х, у) на основе решения системы нелинейных уравнений:

р

рШXУХЖXУ)) _ р(Аъ Аз) , где / - ДН - -й приемной антенны. При этом предполагается наличие единственного источника в зоне приема антенной системы, и расчет пеленга производится не менее чем по трем каналам антенной системы. В общем случае задача решения системы уравнений (1) сводится к оптимизации некоторого функционала, например функционала среднеквадратичного рассогласования.

Определяющее влияние на точность решения системы (1) оказывают следующие факторы. Во-первых, немонотонность функционала пеленгационной характеристики вследствие наличия боковых лепестков ДН ведет к появлению большого количества ложных пеленгов, которые могут быть приняты за направление на источник излучения. Во-вторых, наличие шу-

мов различных уровней и природы приводит к смещению решения системы (1).

Определение угловых координат с использованием корреляционного моноимпульсного метода

Уменьшение влияния боковых лепестков ДН антенн может быть произведено на основе предварительного анализа мощности принятых сигналов многоканальной антенной системой и исключением из обработки каналов, мощность сигнала в которых ниже уровня боковых лепестков. Для решения системы уравнений пеленгации (1) антенная система должна содержать не менее трех приемных антенн. При наличии большего числа приемных каналов имеется возможность отказа от работы с каналами с низким уровнем сигнала. В данных условиях определение пеленга может быть разделено на два этапа. На первом этапе происходит переход от ДН реальных приемных антенн к идеальной модели путем аппроксимации главного лепестка ДН. Для аппроксимации удобно использовать функцию Гаусса, поскольку при этом в рамках указанной модели система (1) сводится к системе линейных уравнений. Для повышения устойчивости решение такой системы (х0, у0) может быть найдено путем замены обратной матрицы псевдообратной матрицей Мура-Пенроуза, что соответствует решению минимума нормы [4]. На втором этапе вблизи найденного начального приближения производится решение системы (1) с использованием ДН реальных антенн (рис. 1).

Традиционный метод оценки амплитуд сводится к расчету мощности принятого сигнала в каждом канале антенной системы [5], при этом не учитывается влияние аддитивных шумов на точность оценки амплитуды. Для увеличения точности измерений необходимо оптимизировать алгоритм определения амплитуды сигналов, принятых различными каналами антенной системы. Для увеличения отношения сигнал-шум (ОСШ) в принятых сигналах предлагается переход от обработки непосредственно сигналов к обработке их взаимной корреляционной функции, что можно рассматривать как реализацию метода максимального правдоподобия [6]:

5 (т) _ 151 ({)52 (г+ т)^ ,

где ^(г) и Б2^)- сигналы, принятые 1-й и 2-й приемными антеннами. Переход от сигналов ^(г) и 52(0 к корреляционному сигналу 5 (т) может быть представлен как переход от реальных ДН антенн Ш1(х, у), Ш2(х, у) к системе «мнимых» антенн, ДН /{(х, у) которых задаются произведением ДН исходных приемных антенн.

Структурная схема предложенной модели представлена на рис. 2. В рамках этой модели осуществляется переход к антенной системе, в которой угловые координаты источника излучения не изменяются, сигнал 5'(т), принимаемый системой мнимых антенн, определяется автокорреляционной функцией исходного сигнала 5(г), а ДН мнимых антенн задаются взаимными произведениями ДН исходных антенн.

оценка

амплитуды

пере-

определенная

система

линейных

уравнений

К’ у о)

аппроксимация ДН функцией Гаусса

ДН с боковыми лепестками

пере-

определенная

система

уравнений

> *

Рис. 1. Схема двухэтапного алгоритма амплитудной моноимпульсной пеленгации

БКФ

Рис. 2. Структурная схема блока оценки амплитуд

Расчет амплитуд сигналов в каналах мнимой антенной системы может производиться на основе традиционного алгоритма, с использованием энергии сигнала. Как было сказано выше, традиционный алгоритм оценки амплитуд не учитывает влияние аддитивных шумов. Учет специфики моноимпульсного метода (синфаз-ность приема сигнала различными каналами) позволяет повысить точность расчета амплитуд мнимых сигналов.

Алгоритм оценки амплитуд сигналов

Для сигналов с низким ОСШ влияние аддитивного шума на точность определения амплитуд принятых сигналов может быть уменьшено на основе исключения шумовой составляющей из энергии принятого сигнала в каждом канале приемной системы. Предварительная оценка уровня шума в данной антенне и исключение его энергии Еп из общей энергии принятого

сигнала позволяют в предположении некоррелированных шумов получить оценку полезной составляющей принятого сигнала.

Предположим наличие на приемной стороне эталонного сигнала 5э (г) _ Аэ5 (г), содержащего только полезный сигнал 5 (г), принятый син-фазно с сигналами в каждой из приемных антенн. Разность сигнала на выходе I -й антенны и эталонного сигнала имеет следующий вид:

^(7) _ 5(г) - а^(г) _(А - аД)5(7) + АпП(г).

Вариацией коэффициента а достигается подавление слагаемого, содержащего полезную составляющую сигнала 5 (г). Для некоррелированной шумовой составляющей с нулевым средним задача определения а сводится к од-

номерной оптимизации функционала энергии разностного сигнала:

F = jAs2(t )dt =

= (Aj - аАэ )2 |s2 (t)dt + A2 Jn2 (t)dt ^ min.

При таком подходе минимум функционала F соответствует искомой оценке энергии шума в i -й приемной антенне.

Для применения данного подхода особое внимание необходимо уделить вопросу выбора эталонного сигнала s3 (t). Для задачи амплитудной моноимпульсной пеленгации характерна ситуация, когда полезный сигнал попадает в центральную часть одной из принимающих антенн. ОСШ в принятых данных на выходе такой антенны имеет максимальное значение. Выбор антенны с эталонным сигналом может быть осуществлен по условию максимума энергии принятого сигнала.

Результаты моделирования

Исследование точности определения угловых координат источника излучения с использованием различных методов оценки амплитуды сигнала осуществлено с помощью компьютерного моделирования. В качестве принимаемого сигнала моделировался ФМ2-сигнал со скоростью передачи данных 16 Кбит/с на несущей частоте 210 кГц, длина информационной выборки - 100 символов.

Реализация алгоритма включала в себя две основные части: оценка амплитуд и определение угловых координат, которое производилось в том случае, если мощность принимаемого сигнала превышала некоторый заранее заданный порог в трех и более антеннах. Значение

Рис. 3. Зависимость средней ошибки пеленгации от соотношения сигнал-шум: а - широкополосный шум; б - шум в полосе сигнала

порога определялось исходя из уровня боковых лепестков, при моделировании традиционного алгоритма использовалось значение -30дБ при уровне боковых лепестков ДН используемых антенн -34 дБ. В реализации корреляционного моноимпульсного метода пороговое значение мощности сигнала задавалось на уровне -55 дБ при уровне боковых лепестков -60 дБ. В состав антенной системы, использованной при моделировании, входило 6 приемных антенн, расположенных в вершинах правильного шестиугольника, соседние ДН которых пересекались по уровню -3 дБ.

Для моделирования аддитивного шума в различных каналах использовалась одна выборка (широкополосный белый гауссов шум и гауссов шум в полосе 32 кГц). Амплитуда шума в каждом канале определялась значением соответствующей ДН в направлении распространения шума. На рис. 3 а показаны зависимости средней ошибки пеленгации от соотношения сигнал-шум для сигналов с широкополосным аддитивным шумом. Зависимости получены для различных методов: 1 - традиционный алгоритм на основе расчета мощности исходного (реального) принимаемого сигнала; 2 - корреляционный метод. Анализ графика показывает, что оценка угловых координат источника радиоизлучения корреляционным методом дает существенный выигрыш по сравнению с традиционным алгоритмом. На рис. 3б показаны зависимости средней ошибки пеленгации от соотношения сигнал-шум для шумов в полосе сигнала. Анализ графика подтверждает, что метод мнимых антенн не позволяет существенно уменьшить ошибку пеленгации, связанную с влиянием коррелированных шумов. Для разделения полезного сигнала и коррелированного

шума необходима дополнительная обработка на основании информации об их структурах.

Заключение

В работе представлен алгоритм амплитудной моноимпульсной пеленгации с применением предварительной обработки на основе модельных идеальных ДН принимающих антенн. Предложена схема оптимизации алгоритма расчета амплитуд принимаемых сигналов на основе корреляционной обработки сигналов и предварительной оценки уровня шума в каналах антенной системы. Описанный подход применен в рамках пеленгации ФМ2-сигналов на фоне аддитивного шума. Показано повышение точности определения угловых координат источника радиоизлучения предложенным в работе методом по сравнению с традиционным алгоритмом.

Список литературы

1. Теоретические основы радиолокации / Под ред. Я.Д. Ширмана. М.: Советское радио, l970. 560 с.

2. Nickel U. Overview of generalized monopulse estimation // IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine. 2006. Vol. 2l. No. 6. P. 27-56.

3. Леонов А.И., Фомичев К.И. Моноимнульсная радиолокация. М.: Радио и связь, l984. З12 с.

4. Марнл С.Л.-мл. Цифровой спектральный анализ и его приложения. М.: Мир, l990. 584 с.

5. Гришин Ю.П., Инатов В.П., Казаринов Ю.М. Радиотехнические системы. М.: Высш. шк., l990. 496 с.

6. Логинов А.А., Морозов О.А., Семенова М.Ю. Исследование влияния различных видов шумов на эффективность корреляционной схемы пеленгации моноимпульсным методом // Труды ll-й Международной конференции «Цифровая обработка сигналов и ее применение», Москва, 2009. С. З49-З52.

ALGORITHM OF ANGLE ESTIMATION PRECISION INCREASE FOR AMPLITUDE MONOPULSE PASSIVE DIRECTION-FINDING

A.A. Loginov, O.A. Morozov, M. Yu. Semenova

An algorithm of two-stage signal processing is proposed for the problem of passive amplitude-monopulse direction-finding. The algorithm includes preliminary angle estimation using the Gaussian antenna model for receiving system antennas and a correlation scheme of signal processing.

Keywords: passive direction-finding, amplitude monopulse method, antenna pattern, amplitude estimation.