ПАССИВНЫЙ КОГЕРЕНТНЫЙ ЛОКАТОР

Полезная модель относится к области пассивной когерентной локации и может быть использована для обнаружения и оценки координат воздушных, надводных и наземных объектов, не содержащих активных источников радиоизлучения, по рассеянным этими объектами сигналам цифрового эфирного телевидения и FM-радиовещания.
Пассивная когерентная локация - это направление радиолокации, объединяющее методы и технические средства обнаружения, измерения координат, параметров движения и некоторых других характеристик различных объектов, основанные на использовании рассеиваемых этими объектами радиоволн, излученных сторонними, нерадиолокационными источниками (далее - сторонние передатчики). Достоинства пассивных когерентных локаторов - скрытность, электромагнитная совместимость, экологичность, меньшая стоимость - обусловлены отсутствием собственного излучения.
Сторонние передатчики цифрового эфирного телевидения (ЦЭТВ) стандарта DVB-Т2 и FM-радиовещания являются одними из самых подходящих для пассивной когерентной локации (Griffiths Н.D., Baker С.J. Passive coherent location radar systems. Part 1: performance prediction // IEE Proc. on Radar, Sonar and Navigation. 2005. №3. P. 153-159).
Известен способ пассивного обнаружения воздушных объектов (патент RU 2542330 G01S 11/02), заключающийся в том, что когерентно принимают четырьмя приемными каналами прямой сигнал от передатчика подсвета и рассеянный воздушным объектом радиосигнал, синхронно преобразуют принятые радиосигналы в комплексные цифровые сигналы, которые синхронно регистрируют на заданном временном интервале, формируют сигнал, зависящий от временного и частотного сдвигов комплексной взаимно корреляционной функции, при этом все четыре приемных канала пространственно разнесены и в каждом из четырех приемных каналов используется широконаправленная антенная система, а в качестве сигнала подсвета используются широкополосные сигналы синхронизации, наземных систем связи, цифрового телевидения либо других источников, которые заранее известны, рассчитываются комплексные временные взаимно корреляционные функции опорного сигнала и принятого сигнала, содержащего в себе прямой сигнал от передатчика, а также сигналы, отраженные от воздушного объекта, и сигналы, отраженные от окружающих приемные каналы объектов индустрии, в качестве опорного сигнала используется сигнал, совпадающий с сигналом подсвета, но не искаженный беспроводным каналом распространения радиоволн, по каждой из рассчитанных комплексных взаимно корреляционных функций производится оценка времени приема, частотного и фазового сдвигов прямых сигналов, сигналов, отраженных от воздушного объекта, а также сигналов, отраженных от объектов индустрии и поступивших в приемный канал каждого из четырех приемных пунктов, зная полученные оценки, производится выделение сигналов, отраженных от воздушного объекта, и компенсация остальных сигналов, принятых в каждом из четырех приемных каналах, после чего производится повторная оценка фазового и частотного сдвига сигналов, отраженных от воздушного объекта, и принятого каждым из четырех приемных каналов, полученная оценка частотного сдвига усредняется и рассчитывается скорость воздушного объекта, по полученным оценкам времени приема сигналов выполняют пространственную локализацию воздушного объекта. Недостатком данного способа является то, что он позволяет обнаруживать только воздушные объекты.
Наиболее близким решением, принятым за прототип, является устройство скрытной радиолокации подвижных объектов (патент RU 2529483 G01S 13/02), состоящее из N-элементной антенной решетки, N-канального блока приема сигналов, содержащего преобразователь частоты, N-канального аналого-цифрового преобразователя, модуля формирования опорных частот, содержащего общий гетеродин и опорный генератор, блока пространственной и частотно-временной обработки, содержащего устройство адаптивной пространственной фильтрации и вычислительную систему, блока индикации.
Недостаток устройства, принятого за прототип, заключается в том, что в нем в один и тот же момент времени может использоваться только один тип сторонних передатчиков, что приводит к ограничению зоны действия устройства и снижению точности оценки координат подвижных объектов. Объясняется это тем, что каждый тип сторонних передатчиков имеет характерные для него недостатки. Например, излучающие антенны ЦЭТВ имеют узкую диаграмму направленности (ДН) в вертикальной плоскости и слабо облучают воздушные цели на средних высотах и не облучают цели на больших высотах. Напротив, излучающие антенны FM-радиовещания имеют широкую ДН в вертикальной плоскости, но FM-сигналы заметно уступают сигналам ЦЭТВ по обеспечиваемой разрешающей способности и точности измерения задержки, а значит, и точности оценки координат объектов. Объединение в одном комплексе двух систем, одна из которых использует сигналы ЦЭТВ, а другая - сигналы FM-радиовещания, позволит компенсировать недостатки одной системы за счет достоинств другой.
Технической задачей, решаемой полезной моделью, является разработка пассивного когерентного локатора, выполняющего:
- одновременный прием и обработку прямых и рассеянных воздушными, надводными и наземными объектами сигналов ЦЭТВ и FM-радиовещания;
- совместную обработку радиолокационной информации, получаемой при обработке прямых и рассеянных объектами сигналов ЦЭТВ и FM-радиовещания.
Поставленная техническая задача решается за счет того, что предлагаемый пассивный когерентный локатор (ПКЛ), так же, как и известное устройство скрытной радиолокации подвижных объектов, содержит N-элементную антенную решетку (АР), N-канальный блок приема сигналов (БПС), модуль формирования опорных частот (МФОЧ), N-канальный аналого-цифровой преобразователь (АЦП), N-канальный по входу блок пространственной и частотно-временной обработки (БПЧВО), блок индикации (БИ), причем выходы АР соединены с первыми входами БПС, и второй вход БПС соединен с первым выходом МФОЧ, выходы БПС соединены с первыми входами АЦП, и второй вход АЦП соединен со вторым выходом МФОЧ, выходы АЦП соединены со входами БПЧВО, выход БИ является выходом ПКЛ, но, в отличие от известного устройства, предлагаемый ПКЛ дополнительно содержит М-элементную АР, М-канальный БПС, М-канальный АЦП, М-канальный по входу БПЧВО, модуль траекторной обработки (МТО), причем выходы М-элементной АР соединены с первыми входами М-канального БПС, и второй вход М-канального БПС соединен с третьим выходом МФОЧ, выходы М-канального БПС соединены с первыми входами М-канального АЦП, и второй вход М-канального АЦП соединен со вторым выходом МФОЧ, выходы М-канального АЦП соединены со входами М-канального БПЧВО, выходы обоих БПЧВО соединены со входами МТО, выход МТО соединен со входом БИ.
Достигаемый технический результат - расширение зоны действия и повышение точности траекторного сопровождения объектов. Результат достигается за счет объединения результатов обнаружения объектов по сигналам ЦЭТВ с результатами обнаружения объектов по сигналам FM-радиовещания в одном модуле траекторной обработки.
Полезная модель поясняется рисунком (фиг. 1), на котором приведена схема ПКЛ.
ПКЛ (фиг. 1) содержит N-элементную АР для приема сигналов ЦЭТВ 1, М-элементную АР для приема сигналов FM-радиовещания 2, N-канальный БПС ЦЭТВ 3, М-канальный БПС FM-радиовещания 5, МФОЧ 4, N-канальный АЦП для сигналов ЦЭТВ 6, М-канальный АЦП для сигналов FM-радиовещания 7, N-канальный по входу БПЧВО для сигналов ЦЭТВ 8, М-канальный по входу БПЧВО для сигналов FM-радиовещания 9, МТО 10, БИ 11, причем выходы 1-N АР ЦЭТВ 1 соединены со входами 1-N БПС ЦЭТВ 3, выходы 1-М АР FM 2 соединены со входами 1-М БПС FM 5, выходы 1-N БПС ЦЭТВ 3 соединены со входами 1-N АЦП ЦЭТВ 6, выходы 1-М БПС FM 5 соединены со входами 1-М АЦП FM 7, выход 1 МФОЧ 4 соединен с входом 0 БПС ЦЭТВ 3, выход 2 МФОЧ 4 соединен с входом 0 АЦП ЦЭТВ 6 и входом 0 АЦП FM 7, выход 3 МФОЧ 4 соединен с входом 0 БПС FM 5, выходы 1-N АЦП ЦЭТВ 6 соединены со входами 1-N БПЧВО ЦЭТВ 6, выходы 1-М АЦП FM 7 соединены со входами 1-М БПЧВО FM 9, выход БПЧВО ЦЭТВ 8 соединен с входом 1 МТО 10, выход БПЧВО FM 9 соединен с входом 2 МТО 10, выход МТО 10 соединен с входом БИ 11, выход БИ 11 является выходом ПКЛ.
ПКЛ работает следующим образом. Прямой и рассеянные объектами сигналы ЦЭТВ принимаются АР ЦЭТВ 1. Сигналы, принятые каждым элементом АР ЦЭТВ 1, переносятся на промежуточную частоту в БПС ЦЭТВ 2. Для сохранения фазовых соотношений, имеющих место на входе АР ЦЭТВ 1, при переносе на промежуточную частоту во всех каналах БПС ЦЭТВ 2 используется один и тот же сигнал гетеродина из МФОЧ 4. Помимо гетеродинирования, в каждом канале БПС ЦЭТВ 3 выполняется усиление сигналов до уровня, необходимого для аналого-цифрового преобразования. Каждый приемный канал БПС ЦЭТВ 3 соединен со своим каналом АЦП ЦЭТВ 6. Для сохранения фазовых соотношений между сигналами при аналого-цифровом преобразовании во всех каналах АЦП ЦЭТВ 6 используется один и тот же внешний сигнал тактовой синхронизации от опорного генератора из МФОЧ 4. В каждом канале АЦП ЦЭТВ 6 выполняется перенос на нулевую частоту и формирование квадратурных составляющих. Комплексные цифровые сигналы со всех каналов АЦП ЦЭТВ 6 поступают в БПЧВО ЦЭТВ 8. В БПЧВО ЦЭТВ 8 в каждом канале устраняются предварительно оцененные фазовые набеги, возникающие в кабелях и цепях от входа антенного элемента до выхода АЦП ЦЭТВ 6. С помощью заранее известного N-элементного вектора комплексных коэффициентов, задающего амплитудно-фазовое распределение в АР ЦЭТВ 1, которое соответствует направлению на сторонний передатчик ЦЭТВ, выделяется прямой сигнал ЦЭТВ. Далее в БПЧВО ЦЭТВ 8 выполняется типовая последовательность этапов обработки пассивной когерентной локации (Bistatic radar: emerging technology. Ed. by M. Cherniakov. Chichester: John Wiley & Sons, Ltd, 2008. 406 p.). С помощью адаптивного фильтра в каждом канале выполняется подавление мощных копий прямого сигнала. Затем в каждом канале вычисляется частотно-временная функция (ЧВФ), каждое сечение которой представляет собой взаимно-корреляционную функцию сигнала в этом канале и сдвинутого по частоте прямого сигнала. Величина и знак частотного сдвига прямого сигнала определяют номер сечения ЧВФ. В результате получается N ЧВФ, каждая из которых соответствует одному антенному элементу. Весовым суммированием совпадающих по задержке и частотному сдвигу отсчетов ЧВФ всех антенных элементов получается ЧВФ, соответствующая одному направлению луча АР ЦЭТВ 1 (вектор весовых коэффициентов, используемых при суммировании, определяется направлением луча). Операция весового суммирования N ЧВФ антенных элементов выполняется для L требуемых направлений. В результате получается L ЧВФ, каждая из которых соответствует одному направлению. С помощью алгоритма обнаружения с постоянным уровнем ложных тревог в модуле каждой ЧВФ отыскиваются превышающие порог отсчеты. Задержка и частотный сдвиг, соответствующие каждому такому отсчету, пересчитываются, соответственно, в бистатическую дальность и бистатическую скорость. Последние вместе со значениями азимута и угла места, соответствующими направлению луча АР ЦЭТВ 1, образуют отметку цели, передаваемую в модуль траекторной обработки (МТО). Аналогичная описанной выше последовательность операций обработки выполняется и для сигналов FM-радиовещания, с той разницей, что в общем случае антенная решетка для сигналов FM-радиовещания АР FM 2 содержит М, отличное от N, элементов, БПС FM 5 и АЦП FM 5 являются М-канальными, а не N-канальными, количество лучей АР FM 2, для которых вычисляются ЧВФ, составляет К, отличное от L.
На вход МТО 10 поступают отметки целей, обнаруженных по сигналам ЦЭТВ и FM-радиовещания, в частной системе координат (ЧСК) «бистатическая дальность - бистатическая скорость - азимут - угол места» (если сторонние передатчики ЦЭТВ и FM-радиовещания пространственно разнесены, то каждому из них соответствует своя ЧСК). Для осуществления совместной обработки и сохранения в подавляющем большинстве случаев линейного характера траекторий выполняется преобразование из ЧСК в прямоугольную (Кузьмин С.З. Цифровая радиолокация. Введение в теорию. Киев: КВИЦ, 2000. 428 с.) единую систему координат (ЕСК). При этом отождествление отметок выполняется в ЧСК. Прямое преобразование из ЧСК в ЕСК для фильтрации и экстраполяции и обратное преобразование из ЕСК в ЧСК для отождествления выполняются с помощью алгоритма анцентного преобразования (Коновалов. Основы траекторной обработки радиолокационной информации: Часть 2. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2014. 180 с.).
Сглаженные траектории с выхода МТО поступают в БИ 11, в котором выполняется преобразование траекторий из ЕСК в систему географических координат, совмещение преобразованных траекторий с картой местности и отображение результата на дисплее, а также передача результата на выход ПКЛ внешнему потребителю.
Как видно из описания пассивного когерентного локатора и его работы, достигаемый технический результат - расширение зоны действия и повышение точности траекторного сопровождения объектов за счет объединения информации, получаемой одновременно по сигналам двух типов сторонних передатчиков - цифрового эфирного телевидения и FM-радиовещания.