СПОСОБ СКРЫТНОГО МОНИТОРИНГА РАДИОМОЛЧАЩИХ ОБЪЕКТОВ
METHOD FOR SECRETIVE MONITORING 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 скрытного сопровождения 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 фазирующей функции, для каждого выбранного азимутально-угломестного направления приема преобразуют рассеянный цифровой и многочастотный матричный сигнал фазирующей функции 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 и сопровождение широкого класса радиомолчащих 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 скрытного сопровождения 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  которые совместно со значением азимутально-угломестного направления приема запоминают,
преобразуют прямой сигнал s в двухчастотные матричные сигналы комплексной фазирующей функции А, каждый из которых включает гипотетические сигналы, рассеиваемые потенциальными стационарными и подвижными объектами в ожидаемой области задержек на нулевой ω=0 и ожидаемой ω частоте доплеровского сдвига, матричные сигналы А запоминают,
H
для каждого выбранного азимутально-угломестного направления приема и каждого ожидаемого значения доплеровского сдвига частоты преобразуют рассеянный сигнал  в сигнал элемента комплексного частотно-временного изображения  где A - матрица, эрмитово сопряженная с А,
сигнал  запоминают и используют в качестве начального приближения, а также итерационно формируют зависящий от предыдущего решения вспомогательный матричный сигнал  где  - z-я компонента вектора элемента изображения  k=1, 2, … - номер итерации, и сигнал очередного приближения элемента комплексного частотно-временного изображения  где λ - множитель Лагранжа, до тех пор, пока номер текущей итерации не превысит заданный порог K,
объединяют сформированные сигналы элементов 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 доплеровского сдвига частоты ω и временной задержки q каждого рассеянного радиосигнала и азимутально-угломестного направления приема  рассеянных радиосигналов - выполняют обнаружение, пространственную локализацию и сопровождение объектов.
0
ω
0
ω
Способ-прототип благодаря формированию совокупности двухчастотных матричных сигналов комплексной фазирующей функции А=[А,А], где А - подматрица одночастотного матричного сигнала на нулевой частоте ω=0 доплеровского сдвига, а А - подматрица одночастотного матричного сигнала на ожидаемой частоте ω доплеровского сдвига, 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, пространственной локализации и сопровождения радиомолчащих 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 каждого матричного сигнала комплексной фазирующей функции как по частоте доплеровского сдвига, так и по временной задержке.
Кроме того, у способа-прототипа отсутствуют операции компенсации прямого сигнала подсвета и рассеянных стационарными объектами сигналов. Как следствие, прямой сигнал и рассеянные стационарными объектами сигналы маскируют эхо-сигналы малоразмерных и низкоскоростных объектов, что ограничивает чувствительность их обнаружения и пространственной локализации.
Таким образом, недостатком способа-прототипа является низкая эффективность (ограниченные чувствительность и быстродействие) обнаружения радиомолчащих объектов.
Техническим результатом изобретения является повышение эффективности (чувствительности и быстродействия) скрытного сопровождения радиомолчащих объектов.
Повышение эффективности (чувствительности и быстродействия) скрытного сопровождения радиомолчащих объектов достигается за счет применения новых операций:
- очистки обнаруживаемых эхо-сигналов подвижных объектов путем компенсации маскирующих помех в виде прямого сигнала подсвета и рассеянных стационарными объектами сигналов;
- формирования совокупности малоразмерных одночастотных матричных сигналов комплексной фазирующей функции для различных частей ожидаемой области задержек вместо совокупности имеющих более высокую размерность двухчастотных матричных сигналов комплексной фазирующей функции для полной области ожидаемых задержек.
ων
ων
0
0
Технический результат достигается тем, что в способе скрытного мониторинга 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  которые совместно со значением азимутально-угломестного направления приема запоминают, согласно изобретению, преобразуют прямой сигнал s в одночастотные частичные матричные сигналы комплексной фазирующей функции А, каждый из которых включает гипотетические сигналы, рассеиваемые потенциальными стационарными и подвижными объектами на одной из ожидаемых частот доплеровского сдвига ω в ν-й части ожидаемой области задержек, частичные матричные сигналы А запоминают и объединяют в полный матричный сигнал комплексной фазирующей функции А для нулевого значения доплеровского сдвига частоты, для каждого выбранного азимутально-угломестного направления приема преобразуют рассеянный сигнал  в сигнал элемента комплексного частотно-временного изображения для нулевого значения доплеровского сдвига частоты  где  - матрица, эрмитово сопряженная с А, с использованием сигнала  в качестве начального приближения итерационно формируют и запоминают зависящий от предыдущего решения вспомогательный матричный сигнал  где  - z-я компонента вектора элемента изображения  k=1, 2, … - номер итерации, а также сигнал очередного приближения элемента комплексного частотно-временного изображения  где λ - множитель Лагранжа, и очищенный от прямого и рассеянных стационарными объектами сигналов рассеянный сигнал  до тех пор, пока номер текущей итерации не превысит заданный порог K, после этого из очищенного сигнала  для каждого ожидаемого ненулевого значения доплеровского сдвига частоты ω в каждой ν-й части ожидаемой области задержек формируют сигнал начального приближения  а затем итерационно получают и запоминают вспомогательный матричный сигнал  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 азимутально-угломестного направления приема  доплеровского сдвига частоты ω и временной задержки q каждого рассеянного радиосигнала - выполняют обнаружение, пространственную локализацию и сопровождение объектов.
Операции способа поясняются чертежом.
Устройство, в котором реализуется предложенный способ, содержит последовательно соединенные систему приема и предварительной обработки 1, систему моделирования и выбора радиопередатчиков (РПД) 2, вычислительную систему 3 и блок управления и индикации 4.
В свою очередь система приема и предварительной обработки 1 включает антенную решетку 1-1, тракт поиска источников подсвета, включающий преобразователь частоты 1-2, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 1-3 и устройство обнаружения 1-4, а также тракт приема прямых и рассеянных сигналов, включающий преобразователь частоты 1-5, АЦП 1-6 и устройство адаптивной пространственной фильтрации 1-7.
Вычислительная система 3 включает блок синтеза частотно-временного изображения 3-1, блок сравнения 3-2, устройство формирования вспомогательного и взвешивающего сигнала 3-3 и блок формирования сигнала фазирующей функции 3-4. При этом система 2 соединена с входом блока 4, а также имеет интерфейс для соединения с внешней базой РПД. Кроме того, блок 4 имеет выход, предназначенный для подключения к внешним системам.
Подсистема 1 является аналогово-цифровым устройством и предназначена для поиска передатчиков подсвета объектов, излучающих радиосигналы с расширенным спектром, а также для адаптивной пространственной фильтрации полезных прямых и рассеянных радиосигналов.
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.
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.
Подсистема 2 является вычислительным устройством и предназначена для идентификации, отбора и периодического обновления рабочего списка передатчиков радиосигналов с расширенным спектром, используемых для подсвета заданной области воздушного пространства.
Вычислительная система 3 предназначена для формирования сигнала фазирующей функции (блок 3-4), формирования вспомогательного и взвешивающего сигнала (устройство 3-3), сравнения числа итераций с заданным порогом (блок 3-2) и синтеза частотно-временного изображения рассеянных объектами радиосигналов (блок 3-1).
Устройство 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. 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 n 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
n
n
n
n
T
T
Сформированные в преобразователе 1-5 радиосигналы s(t) синхронно преобразуются с помощью АЦП 1-6 в цифровые сигналы s={s(1),…,s(i),…,s(I)}, где  - номер временного отсчета сигнала, {} - означает транспонирование.
n
1
n
N
T
Цифровые сигналы отдельных антенн s поступают в устройство 1-7, где объединяются в матричный цифровой сигнал S={s,…,s,…,s} 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;
-1
- сигнал корреляционной матрицы R преобразуется в N×1 векторные сигналы оптимальных весовых коэффициентов w=Rv 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,
T
H
- матричный цифровой сигнал S преобразуется в прямой s=wS 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.
Сформированные в устройстве 1-7 рассеянные сигналы  совместно со значением выбранного азимутально-угломестного направления их приема поступают в блок 3-1, а прямой сигнал s поступает в блок 3-4, где запоминаются.
ων
ων
После этого, в блоке 3-4 прямой сигнал s преобразуется в одночастотные частичные матричные сигналы комплексной фазирующей функции А. Сигналы А поступают в устройство 3-3, где также запоминаются.
ων
Преобразование прямого сигнала s в одночастотные частичные матричные сигналы А осуществляется по следующим формулам:
q
(1-q)
(I-q)
s
ν
ν-1
s
T
где  s=[s,…,s] - векторы размером I×1, являющиеся задержанными по времени на qT версиями прямого сигнала s, q=0,…,Q-1, Q - полное число временных задержек, [{q-1)-q] - число временных задержек в ν-й части ожидаемой области задержек, T - период выборки сигнала;
- матрицы доплеровских сдвигов, ω=0,±1,…,±Ω, (2Ω+1) - размер координатной сетки по доплеровскому сдвигу.
s
Значения доплеровского сдвига частоты пробегают дискретный ряд значений ω/(IT).
Разбиение ожидаемой области задержек может быть равномерным или неравномерным. В простейшем случае равномерного разбиения число временных задержек в каждой ν-й части ожидаемой области задержек одинаково и равно  где Q - общее ожидаемое число задержек, а  - число частей, на которые разбивается ожидаемая область задержек.
Экспериментально установлено, что число задержек в каждой  части ожидаемой области задержек должно быть не менее 10.
ων
ων
При равномерном разбиении ожидаемой области задержек одночастотные частичные матричные сигналы А будут иметь одинаковый размер. При неравномерном разбиении сигналы А будут отличаться размером.
ων
Таким образом, столбцы матрицы А представляют собой задержанные по времени и сдвинутые по частоте доплеровского сдвига версии прямого сигнала s, а размер этой матрицы  определяется числом отсчетов в разведываемом сигнале (длительностью интервала наблюдения) и размерами частей, на которые разбита координатная сетка по временному запаздыванию.
ων
ων
0
ων
0
Также в устройстве 3-3 из сигнала А последовательно вычисляются сигналы  и  которые запоминаются. Кроме того сигналы А объединяются в полный матричный сигнал комплексной фазирующей функции А для нулевого значения ω=0 доплеровского сдвига частоты. Объединение сигналов А осуществляется в порядке возрастания задержек. Из полного матричного сигнала А формируются вспомогательные сигналы  и  которые также запоминаются и поступают в блок 3-1.
В блоке 3-1 для каждого выбранного азимутально-угломестного направления приема  рассеянный сигнал  с использованием сигналов  и  поступивших от блока 3-3, преобразуется в сигнал элемента комплексного частотно-временного изображения для нулевого значения ω=0 доплеровского сдвига частоты  (вектор с размером Q×1).
Полученный в блоке 3-1 сигнал элемента изображения  запоминается в блоке 3-2 в качестве начального приближения и транслируется в устройство 3-3 для запоминания и инициализации очередной итерации с номером k=1.
В устройстве 3-3 с использованием сигнала элемента изображения, полученного на предыдущей итерации, то есть  при k=1, формируется зависящий от предыдущего решения вспомогательный матричный сигнал  где  - z-я компонента вектора элемента изображения  и взвешивающий сигнал  Значение множителя Лагранжа λ выбирают исходя из уровня шумов в каналах приема. Взвешивающий сигнал  поступает в блок 3-1.
В блоке 3-1 с использованием сигнала  и запомненного рассеянного сигнала  синтезируется сигнал очередного приближения элемента комплексного частотно-временного изображения для нулевого значения ω=0 доплеровского сдвига частоты  и очищенный от прямого и рассеянных стационарными объектами сигналов рассеянный сигнал
Сигнал  запоминается в блоке 3-1. Сигнал  поступает в блок 3-2, где также запоминается для использования на следующей итерации. Кроме того сигнал  поступает в устройство 3-3 для запоминания и инициализации очередной итерации синтеза элемента частотно-временного изображения и очищенного сигнала.
После чего, в устройстве 3-3, блоках 3-1 и 3-2 выполняется описанная ранее последовательность операций по формированию сигналов  запоминанию сигналов  и  а также сравнению номера текущей итерации с заданным порогом K.
ων
При превышении номером текущей итерации порога K в устройстве 3-3, блоках 3-1 и 3-2 из запомненных сигналов А,  и  для каждого ожидаемого ненулевого значения доплеровского сдвига частоты ω в каждой ν-й части ожидаемой области задержек формируется сигнал начального приближения  а затем итерационно получается и запоминается вспомогательный матричный сигнал  где  - z-я компонента вектора элемента изображения  и сигнал очередного приближения  элемента очищенного комплексного частотно-временного изображения, до тех пор, пока номер текущей итерации не превысит заданный порог K.
При превышении номером текущей итерации заданного порога K в блоке 3-1 сформированные сигналы элементов очищенного изображения  объединяются в матричный сигнал результирующего комплексного частотно-временного изображения  Объединение элементов очищенного изображения  в матричный сигнал  осуществляется путем присоединения элементов очищенного изображения  друг к другу в порядке возрастания задержек сверху вниз и в порядке убывания доплеровского сдвига частоты ω слева направо в соответствии со следующей формулой:
Матричный сигнал результирующего комплексного частотно-временного изображения  поступает в блок 4.
В блоке 4 вычисляются квадраты модулей  матричного сигнала результирующего комплексного частотно-временного изображения  По локальным максимумам квадратов модулей  определяется число рассеянных радиосигналов в выбранном азимутально-угломестном направлении, по параметрам которых - значениям азимутально-угломестного направления приема  доплеровского сдвига частоты ω и временной задержки q каждого рассеянного радиосигнала - выполняется обнаружение, пространственная локализация и сопровождение объектов.
Обнаружение, определение пространственных координат и сопровождение объектов осуществляется известными способами, например, [3].
Кроме того, для повышения информативности в блоке 4 отображаются результаты обнаружения и сопровождения объектов.
Из приведенного описания следует, что устройство, реализующее предложенный способ, обеспечивает повышение эффективности (чувствительности и быстродействия) скрытного сопровождения радиомолчащих объектов.
Повышение чувствительности сопровождения достигается за счет применения новых операций, обеспечивающих формирование очищенного комплексного частотно-временного изображения эхо-сигналов объектов путем компенсации маскирующих помех в виде прямого сигнала подсвета и рассеянных стационарными объектами сигналов.
H
Повышение быстродействия сопровождения достигается за счет новых операций, осуществляющих формирование совокупности одночастотных малоразмерных матричных сигналов комплексной фазирующей функции для  различных частей ожидаемой области задержек размером  вместо совокупности имеющих более высокую размерность I×2Q двухчастотных матричных сигналов комплексной фазирующей функции для полной области ожидаемых задержек. Оценочно это приводит к замене матриц AA размером 2Q×2Q на матрицы  размером  с увеличением их числа в  раз, что сокращает в  раз объем вычислительных операций на этапах синтеза комплексных частотно-временных изображений эхо-сигналов объектов.
Так, даже при небольшом значении параметра  получаем выигрыш в быстродействии, равный  Учитывая, что с увеличением диапазона контролируемых дальностей (задержек) значение параметра  может пропорционально возрастать, выигрыш в быстродействии может достигать гораздо больших значений. Например, при  получаем
Таким образом, за счет применения новых операций, обеспечивающих формирование с меньшими вычислительными затратами очищенного от маскирующих помех комплексного частотно-временного изображения эхо-сигналов радиомолчащих объектов, 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, 2557250 С1, кл. G01S 13/02, 2015 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.