Способ пространственной локализации радиомолчащих объектов
METHOD FOR SPATIAL LOCALISATION OF RADIO-SILENT OBJECTS

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.
Технология скрытного обнаружения и слежения за подвижными объектами, использующая естественный радиоподсвет целей, создаваемый на множестве частот радиоизлучениями передатчиков различного назначения, пока еще не получила достаточного распространения, несмотря на то, что может существенно повысить скрытность и эффективность обнаружения, пространственной локализации и идентификации широкого класса подвижных объектов.
Известен способ пространственной локализации радиомолчащих объектов [1], заключающийся в том, что принимают решеткой из N антенн прямые и рассеянные объектами радиосигналы широкополосных передатчиков радиоэлектронных систем различного назначения, синхронно преобразуют ансамбль принятых антеннами радиосигналов в цифровые сигналы, цифровые сигналы преобразуют в прямой и рассеянные сигналы для выбранных азимутально-угломестных направлений приема, которые совместно со значением азимутально-угломестного направления приема запоминают, преобразуют прямой сигнал в многочастотный матричный сигнал комплексной фазирующей функции, включающий гипотетические сигналы, рассеиваемые потенциальными стационарными и подвижными объектами в ожидаемой области задержек на всех ожидаемых частотах доплеровского сдвига, запоминают многочастотный матричный сигнал, для каждого выбранного азимутально-угломестного направления приема преобразуют рассеянный цифровой и многочастотный матричный сигнал в сигнал комплексного частотно-временного изображения, после чего по локальным максимумам квадрата модуля элементов частотно-временного изображения определяют число рассеянных радиосигналов в выбранном азимутально-угломестном направлении, по параметрам которых - значению временной задержки, доплеровского сдвига каждого рассеянного радиосигнала и значению азимутально-угломестного направления приема рассеянных радиосигналов - выполняют обнаружение и пространственную локализацию подвижных объектов.
Данный способ обеспечивает обнаружение широкого класса объектов. Однако из-за большой размерности многочастотного матричного сигнала комплексной фазирующей функции при реализации данного способа требуется очень большой объем вычислительных операций.
Более эффективным является способ пространственной локализации радиомолчащих объектов [2], свободный от этого недостатка и выбранный в качестве прототипа. Согласно этому способу:
принимают решеткой из N антенн прямые и рассеянные объектами радиосигналы широкополосных передатчиков радиоэлектронных систем различного назначения,
синхронно преобразуют ансамбль принятых антеннами радиосигналов в цифровые сигналы,
цифровые сигналы преобразуют в прямой s и рассеянные  сигналы для выбранных азимутально-угломестных направлений приема
из которых для каждого выбранного направления приема формируют очищенный от прямого и рассеянных стационарными объектами сигналов рассеянный сигнал
ω
ω
очищенные сигналы  совместно со значением азимутально-угломестного направления приема  и значением прямого сигнала s запоминают, после этого преобразуют прямой сигнал s в одночастотные матричные сигналы комплексной фазирующей функции А, каждый из которых включает гипотетические сигналы, рассеиваемые потенциальными стационарными и подвижными объектами в ожидаемой области задержек на одной из ожидаемых частот доплеровского сдвига ω, матричные сигналы А, запоминают,
для каждого ожидаемого значения доплеровского сдвига частоты ω формируют сигнал начального приближения  а затем
итерационно получают и запоминают вспомогательный матричный сигнал  где  - z-я компонента вектора элемента изображения  k=1, 2, … - номер итерации, и сигнал очередного приближения  элемента очищенного комплексного частотно-временного изображения, до тех пор, пока номер текущей итерации не превысит заданный порог K,
объединяют сформированные сигналы элементов очищенного изображения  в матричный сигнал результирующего комплексного частотно-временного изображения , после чего
по локальным максимумам квадрата модуля матричного сигнала результирующего изображения  где  - ωq-я компонента матричного сигнала результирующего изображения  определяют число рассеянных радиосигналов в выбранном азимутально-угломестном направлении, по параметрам которых - значениям временной задержки q, доплеровского сдвига частоты ω каждого рассеянного радиосигнала и азимутально-угломестного направления приема  рассеянных радиосигналов выполняют обнаружение и пространственную локализацию радиомолчащих объектов.
ω
Способ-прототип благодаря формированию совокупности одночастотных матричных сигналов комплексной фазирующей функции А, вместо имеющего более высокую размерность и требующего значительно большего количества вычислительных операций одного многочастотного матричного сигнала, обладает по сравнению с аналогом более высоким быстродействием.
Однако быстродействие способа-прототипа снижается с увеличением диапазона контролируемых задержек (дальностей) и диапазона частот доплеровского сдвига (скоростей перемещения обнаруживаемых объектов) и недостаточно для реализации операций обнаружения и пространственной локализации объектов различных классов в реальном масштабе времени на существующей вычислительной базе.
Учитывая, что вычислительная сложность преобразования матричных сигналов существенно зависит от размера матриц, повышение быстродействия способа-прототипа возможно дальнейшим уменьшением размерности сигнала комплексной фазирующей функции по задержке и частоте доплеровского сдвига.
Таким образом, недостатком способа-прототипа является ограниченное быстродействие обнаружения радиомолчащих объектов.
Техническим результатом изобретения является повышение быстродействия пространственной локализации радиомолчащих объектов.
q,ω
q,ω
q,ω
q,ω
Технический результат достигается тем, что в способе пространственной локализации радиомолчащих объектов, заключающемся в том, что принимают решеткой из N антенн прямые и рассеянные объектами радиосигналы широкополосных передатчиков радиоэлектронных систем различного назначения, синхронно преобразуют ансамбль принятых антеннами радиосигналов в цифровые сигналы, цифровые сигналы преобразуют в прямой s и рассеянные  сигналы для выбранных азимутально-угломестных направлений приема  из которых для каждого выбранного направления приема формируют очищенный от прямого и рассеянных стационарными объектами сигналов рассеянный сигнал  очищенные сигналы  совместно со значением азимутально-угломестного направления приема  и значением прямого сигнала s запоминают, согласно изобретению, преобразуют прямой сигнал s в векторные сигналы комплексной фазирующей функции a, каждый из которых является гипотетическим сигналом, рассеиваемым потенциальным подвижным объектом в узле координатной сетки «временная задержка q - доплеровский сдвиг частоты ω», векторные сигналы a запоминают, для каждого выбранного направления приема очищенный сигнал  совместно с векторным сигналом a преобразуют в сигнал средней энергии шума  где I - длина временной выборки рассеянных сигналов, получают соответствующее текущему узлу координатной сетки значение порога корреляции  с которым сравнивают значение удвоенного модуля коэффициента корреляции между очищенным  и гипотетическим a сигналами  и при превышении порога  формируют комплексный эхо-сигнал  в текущем узле координатной сетки, а в противном случае значение комплексного эхо-сигнала полагают равным нулю  объединяют сформированные в узлах координатной сетки эхо-сигналы  в матричный сигнал результирующего комплексного частотно-временного изображения  после чего по локальным максимумам квадрата модуля матричного сигнала результирующего изображения  где  - ωq-я компонента матричного сигнала результирующего изображения  определяют число рассеянных радиосигналов в выбранном азимутально-угломестном направлении, по параметрам которых - значениям временной задержки q, доплеровского сдвига частоты ω каждого рассеянного радиосигнала и азимутально-угломестного направления приема  рассеянных радиосигналов выполняют обнаружение и пространственную локализацию радиомолчащих объектов.
Благодаря применению новых операций, обеспечивающих формирование совокупности векторных сигналов комплексной фазирующей функции вместо формирования совокупности матричных сигналов комплексной фазирующей функции, имеющих более высокую размерность, достигается указанный в изобретении технический результат: повышение быстродействия пространственной локализации объектов.
Операции способа поясняются чертежом, где на фиг. 1 представлена структурная схема устройства, реализующего предложенный способ.
Устройство, в котором реализуется предложенный способ, содержит систему приема и предварительной обработки 1, систему моделирования и выбора радиопередатчиков (РПД) 2, вычислительную систему 3 и блок управления и индикации 4.
Система приема и предварительной обработки 1 включает антенную решетку 1-1, тракт поиска источников подсвета, а также тракт приема прямых и рассеянных сигналов.
Антенная решетка 1-1 состоит из N антенн с номерами  Пространственная конфигурация антенной решетки должна обеспечивать прием с заданных азимутально-угломестных направлений прихода радиосигналов и может быть произвольной пространственной конфигурации: плоской прямоугольной, плоской кольцевой или объемной, в частности, конформной.
Тракт поиска источников подсвета является аналогово-цифровым устройством, предназначен для поиска передатчиков подсвета объектов, излучающих радиосигналы с расширенным спектром, и включает последовательно соединенные преобразователь частоты 1-2, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 1-3 и устройство обнаружения 1-4.
Тракт приема прямых и рассеянных сигналов, является аналогово-цифровым устройством, предназначен для адаптивной пространственной фильтрации полезных прямых и рассеянных радиосигналов и включает последовательно соединенные преобразователь частоты 1-5, АЦП 1-6 и устройство адаптивной пространственной фильтрации 1-7.
Система 2 является вычислительным устройством, предназначена для идентификации, отбора и периодического обновления рабочего списка передатчиков радиосигналов с расширенным спектром, используемых для подсвета заданной области воздушного пространства, и имеет интерфейс для соединения с внешней базой РПД. При этом система 2 входом соединена с выходом системы 1, а выходом - с одним из входов блока управления и индикации 4.
Вычислительная система 3 предназначена для формирования сигнала фазирующей функции и синтеза частотно-временного изображения рассеянных объектами радиосигналов, при этом входом подключена к выходу системы 1 и включает блок формирования сигнала фазирующей функции 3-1, связанный с входом блока синтеза частотно-временного изображения 3-2, выход которого подключен к блоку управления и индикации 4.
Блок 4 выходом подключен к внешним системам.
Преобразователи частоты 1-2 и 1-5 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 1-3 и 1-6 также являются N-канальными и синхронизированы сигналом одного 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 1-2 и 1-5 могут использоваться частотно избирательные полосовые фильтры и усилители. Кроме этого, преобразователи частоты 1-2 и 1-5 обеспечивают подключение одной из антенн вместо всех антенн решетки для периодической калибровки приемных каналов по внешнему источнику сигнала. Возможна калибровка с использованием внутреннего генератора, выход которого также подключается вместо всех антенн для периодической калибровки каналов. С целью упрощения внутренний генератор не показан.
Устройство обнаружения 1-4 и устройство адаптивной пространственной фильтрации 1-7 представляют собой вычислительные устройства.
Устройство, реализующее предложенный способ, работает следующим образом.
В системе 2 на основе данных внешней базы радиопередатчиков, а также данных об обнаруженных радиопередатчиках подсвета, поступающих от устройства 1-4, с использованием программных средств моделирования идентифицируется, выбирается и периодически обновляется рабочий список передатчиков, излучающих радиосигналы с расширенным спектром. При моделировании оцениваются возможные зоны покрытия, вероятности обнаружения и достижимые точности локализации и идентификации объектов различного класса, которые могут быть обеспечены при различных вариантах размещения передатчиков относительно станции обнаружения-пеленгования.
Параметры выбранного множества передатчиков (номер, несущая частота, ширина спектра, форма, мощность излучаемого сигнала, координаты или расстояние и угловое положение относительно точки приема) запоминаются в подсистеме 2, поступают в блок 4, а также используются для настройки преобразователей 1-2 и 1-5. С целью упрощения цепи управления преобразователем не показаны.
n
n
По сигналам системы 2 преобразователь частоты 1-2 начинает перестраиваться с заданным темпом в заданном диапазоне частот поиска радиосигналов, например, в диапазоне 400-1000 МГц. При этом тракт поиска осуществляет поиск передатчиков подсвета, излучающих радиосигналы с расширенным спектром, на частотах дискретной сетки частот поиска. При этом принятый каждой антенной с номером я антенной решетки 1-1 зависящий от времени t радиосигнал s(t) фильтруется по частоте и переносится на более низкую частоту в преобразователе 1-2. Сформированные в преобразователе 1-2 радиосигналы s(t) преобразуются с помощью АЦП 1-3 в цифровые сигналы, которые поступают в устройство обнаружения 1-4, в котором на каждой частоте дискретной сетки частот поиска осуществляется обнаружение передатчиков подсвета. Функционирование устройства обнаружения 1-4 основано на широко известных способах радиоконтроля, например, [3].
Одновременно по сигналам системы 2 преобразователь частоты 1-5 перестраивается на заданную частоту приема. Тракт приема синхронно принимает на частоте приема многолучевые радиосигналы, включающие прямой радиосигнал выбранного передатчика с расширенным спектром и рассеянные объектами радиосигналы этого передатчика.
n
Принятый каждой антенной с номером n решетки 1-1 зависящий от времени t радиосигнал s(t) фильтруется по частоте и переносится на более низкую частоту в преобразователе 1-5.
n
Сформированные в преобразователе 1-5 радиосигналы s(t) синхронно преобразуются с помощью АЦП 1-6 в цифровые сигналы  где  - номер временного отсчета сигнала,  - означает транспонирование.
n
Цифровые сигналы отдельных антенн s поступают в устройство 1-7, где объединяются в матричный цифровой сигнал  и запоминаются. Матричный сигнал S имеет размерность N×I.
Кроме того, в устройстве 1-7 выполняются следующие действия:
- из матричного цифрового сигнала S формируется сигнал пространственной корреляционной матрицы R размером N×N;
- сигнал корреляционной матрицы R преобразуется в N×1 векторные сигналы оптимальных весовых коэффициентов  и  для формирования прямого и рассеянных радиосигналов, соответственно, где v - вектор наведения размером N×1, определяемый азимутально-угломестным направлением приема радиосигнала, длиной волны (частотой) и геометрией решетки,  - азимутально-угломестное направление приема рассеянного радиосигнала,
- матричный цифровой сигнал S преобразуется в прямой  и рассеянные  сигналы, где  - символ эрмитова сопряжения.
Физически описанные операции адаптивной пространственной фильтрации обеспечивают одновременный направленный прием с заданных направлений полезного прямого сигнала выбранного передатчика подсвета и полезного рассеянного сигнала с одновременным подавлением широкого класса помех, приходящих с других направлений. Отметим, что технически реализуемая глубина подавления помехи достигает величины 40 дБ [4]. Это обеспечивает выигрыш в чувствительности при формировании слабых рассеянных сигналов на последующих этапах обработки.
Кроме этого в устройстве 1-7 для каждого выбранного направления приема  формируется очищенный от прямого и рассеянных стационарными объектами сигналов рассеянный сигнал
Формирование очищенных рассеянных сигналов  осуществимо различными способами, например, [2, 5].
Так при использовании способа [5] в устройстве 1-7 формируются и запоминаются зависящие от временного сдвига комплексные взаимно корреляционные функции (ВКФ) между каждым рассеянным сигналом  и прямым сигналом s, определяется максимальное значение модуля каждой комплексной ВКФ, фиксируется соответствующее этому максимуму значение комплексной ВКФ  и вычисляется очищенный сигнал
s
s
При использовании способа [2] в устройстве 1-7 прямой сигнал s преобразуется в матричный сигнал  включающий гипотетические сигналы, рассеиваемые потенциальными объектами в ожидаемой области задержек для нулевого значения ω=0 доплеровского сдвига частоты, где  - векторы размером I×1, являющиеся задержанными по времени на qT версиями опорного сигнала s, q=0, …, Q-1, Q - число временных задержек прямого сигнала, T - период выборки сигнала. После этого в устройстве 1-7 для каждого выбранного азимутально-угломестного направления приема  рассеянный сигнал  преобразуется в сигнал элемента комплексного частотно-временного изображения для нулевого значения ω=0 доплеровского сдвига частоты  (вектор размером Q×1), из которого формируется вспомогательный матричный сигнал  где  - z-я компонента вектора элемента изображения  сигнал элемента комплексного частотно-временного изображения для нулевого значения ω=0 доплеровского сдвига частоты  и очищенный от прямого и рассеянных стационарными объектами сигналов рассеянный сигнал
Сформированные в устройстве 1-7 очищенные сигналы  совместно со значением выбранного азимутально-угломестного направления их приема  поступают в блок 3-2, а прямой сигнал s поступает в блок 3-1, где запоминаются.
q,ω
После этого, в блоке 3-1 прямой сигнал s преобразуется в векторные сигналы комплексной фазирующей функции a, каждый из которых является гипотетическим сигналом, рассеиваемым потенциальным подвижным объектом в узле координатной сетки «временная задержка q - доплеровский сдвиг частоты ω».
q,ω
q
s
s
Преобразование прямого сигнала s в векторный сигнал a осуществляется по следующей формуле  где s - вектор размером I×1, является задержанными по времени на qT версиями опорного сигнала s, q=0, …, Q-1, Q - число временных задержек прямого сигнала, T - период выборки сигнала;
s
- матрицы доплеровских сдвигов,  (2Q+1) - размер координатной сетки по доплеровскому сдвигу. Значения доплеровского сдвига частоты пробегают дискретный ряд значений ω/(IT).
q,ω
Векторные сигналы a поступают в блок 3-2, где запоминаются. Кроме этого в блоке 3-2 выполняются следующие действия:
q,ω
для каждого выбранного направления приема  рассеянный сигнал  совместно с векторным сигналом a преобразуются в сигнал средней энергии шума  где I - длина временной выборки рассеянных сигналов;
q,ω
формируется соответствующее текущему узлу координатной сетки значение порога корреляции  с которым сравнивается значение удвоенного модуля коэффициента корреляции между очищенным  и гипотетическим a сигналами
при превышении порога корреляции  формируется комплексный эхо-сигнал  в текущем узле координатной сетки;
в противном случае значение комплексного эхо-сигнала полагается равным нулю
объединяются сформированные в узлах координатной сетки эхо-сигналы  в матричный сигнал результирующего комплексного частотно-временного изображения
Матричные сигналы результирующего комплексного частотно-временного изображения  поступают в блок 4.
В блоке 4 по локальным максимумам квадрата модуля матричного сигнала результирующего изображения  где  - ωq-я компонента матричного сигнала результирующего изображения  определяется число рассеянных радиосигналов в выбранном азимутально-угломестном направлении, по параметрам которых - значениям временной задержки q, доплеровского сдвига частоты ω каждого рассеянного радиосигнала и азимутально-угломестного направления приема  рассеянных радиосигналов выполняется обнаружение и пространственная локализация радиомолчащих объектов.
Обнаружение и определение пространственных координат объектов осуществляется известными способами, например, [1-3].
Кроме того, для повышения информативности в блоке 4 отображаются результаты обнаружения и пространственной локализации объектов.
Из приведенного описания следует, что устройство, реализующее предложенный способ, обеспечивает повышение быстродействия пространственной локализации радиомолчащих объектов.
Повышение быстродействия достигается за счет новых операций, осуществляющих формирование совокупности векторных сигналов комплексной фазирующей функции с размерностью I×1 вместо совокупности имеющих более высокую размерность I×Q одночастотных матричных сигналов комплексной фазирующей функции. Это приводит к замене матриц  с размером Q×Q на комплексные числа  что сокращает в  раз объем вычислительных операций на этапах синтеза одночастотных комплексных частотно-временных изображений эхо-сигналов объектов и, как следствие, в  раз при формировании полного изображения. Для наиболее типичных на практике значений размера координатной сетки по доплеровскому сдвигу, равных Ω=100-300 и более, выигрыш в быстродействии может достигать 201-601 и более раз.
Таким образом, за счет применения новых операций, обеспечивающих формирование комплексного частотно-временного изображения обнаруживаемых эхо-сигналов с меньшими вычислительными затратами, удается решить поставленную задачу с достижением указанного технического результата.
Источники информации
1. RU, патент, 2529483 С1, кл. G01S 13/02, 2013 г.
2. RU, патент, 2716006 С2, кл. G01S 13/02 (2006.01), 2020 г.
3. RU, патент, 2190236, кл. G01S 5/04, 2002 г.
4. Ратынский М.В. Адаптация и сверхразрешение в антенных решетках. М.: Радио и связь. 2003 г.
5. RU, патент, 2444754 С1, кл. G01S 13/02, 2012 г.