Устройство для определения направлений на источники радиоизлучения
DEVICE FOR DETERMINING DIRECTIONS TO RADIO-FREQUENCY SOURCES

Устройство для определения направлений на источники радиоизлучения
Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в системах радиопеленгации.
Известно устройство [1], состоящее из согласованного фильтра, блока ключей и схем задержки, блока ключа и схемы задержки последовательности нечетных выборок, синхронизатора, сумматора, фильтра нижних частот.
Недостатком данного устройства является необходимость знания структуры обрабатываемого сигнала. На основе конкретной структуры строится конкретный согласованный фильтр.
В устройствах определения направлений на источники радиоизлучения, как правило, информация о структуре сигнала неизвестна. Поэтому предлагаемый способ фильтрации в этом случае непригоден.
Известно устройство [2], состоящее из двух разнесенных пунктов, в каждом из которых расположены, по одной узконаправленной и слабонаправленной антенне, пеленгационный канал, измеритель пеленгов, блок расчета координат, спектральный коррелятор, пороговое устройство, блок расчета разности хода, измеритель взаимных задержек, схема (блок) сравнения, электронный ключ.
Недостатком данного устройства является то, что оно позволяет определять направления прихода не более чем на два источника радиоизлучений. Кроме того, данное устройство может работать только в стационарном варианте.
Целью данного изобретения является создание устройства, обеспечивающего определения направлений на источники радиоизлучения за счет коррекции шумов, позволяющей сохранить хорошее пространственное разрешение сигналов при уменьшении их уровней за счет уменьшения собственных шумов в каналах системы пеленгации.
Устройство для определения направлений на источники радиоизлучения с коррекцией собственных шумов, позволяющей улучшить пространственное разрешение сигналов - (прототип) в открытой публикации из всех доступных источников информации не найдено.
Техническое решение достигается тем, что устройство для определения направлений на источники радиоизлучений состоит из антенной решетки, имеющей К антенных элементов, коммутатора, контроллера, генератора, блока вычисления ковариационной матрицы, блока определения ковариационной матрицы с коррекцией шумовой составляющей, блока вычисления пространственного спектра, блока оценки направления на источники радиоизлучения и К каналов пеленгования, каждый из которых состоит из малошумящего усилителя, перемножителя, усилителя промежуточной частоты, аналого-цифрового преобразователя.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 показана принципиальная схема устройства для определения направлений на источники радиоизлучения, на фиг. 2 и фиг. 3 показаны пространственные спектры без коррекции и с коррекцией ковариационной матрицы, на фиг. 4 показана таблица амплитуд сигналов и направлений прихода.
1
К
Устройство для определения направлений на источники радиоизлучения состоит из антенной решетки (АР) 1, имеющей К антенных элементов, коммутатора 2, К каналов пеленгования 3…3, блока вычисления ковариационной матрицы (БВКМ) 4, блока определения ковариационный матрицы (БОКМ) 5 с коррекцией шумов, блока вычисления пространственного спектра (БВПС) 7, блока определения направления на источники радиоизлучения (БОНИРИ) 6, генератора опорных сигналов (Г) 8 и контроллера 9.
1
К
1
1
1
1
1
Каждый канал пеленгования 3…3 (рассмотрим на примере канала пеленгования 3) состоит из малошумящего усилителя (МШУ) 3.1, перемножителя 3.2, усилителя промежуточной частоты (УПЧ) 3.3, аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 3.4.
1
К
Каждый антенный элемент антенной решетки 1, соединен с коммутатором 2, имеющим К выходов, число которых равно числу антенных элементов, соединенных с входом канала пеленгования 3…3, соответствующему номеру антенного элемента.
1
К
Выходы каналов пеленгования 3…3 соединены с блоком вычисления ковариационной матрицы 4.
Блок вычисления ковариационной матрицы 4 имеет два выхода. Первый выход размерности К×К и второй выход размерности 1×К. Выход К×К и выход 1×К соединены с советующими входами блока определения ковариационный матрицы с коррекцией шумов 5.
Выход блока определения ковариационной матрицы 5 с коррекцией шумов соединен с входом блока вычисления пространственного спектра 7.
Выход блока вычисления пространственного спектра 7 соединен с входом блока определения направлений на источники радиоизлучения 6.
Выход контроллера 9 соединен с соответствующим входом коммутатора 2 и с соответствующим входом блока вычисления ковариационной матрицы 4.
1
К
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
Входящие в канал пеленгования 3…3 устройства соединены между собой и с внешними устройствами следующим образом (рассмотрим на примере канала пеленгования 3). Вход малошумящего усилителя 3.1 является входом канала пеленгования 3. Выход малошумящего усилителя 3.1 соединен с одним из входов перемножителя 3.2. Другой вход перемножителя 3.2 соединен с выходом генератора опорных сигналов 8. Выход перемножителя 3.2, соединен с входом усилителя промежуточной частоты 3.3. Выход усилителя промежуточной частоты соединен 3.3 с входом аналого-цифрового преобразователя 3.4, выход которого подключен к соответствующему входу 4.
Антенные элементы антенной решетки 1 размещаются, как правило, на расстоянии d=0,5λ друг от друга, где λ - среднее значение длины волны принимаемых сигналов источников радиоизлучения.
Устройство для определения направлений на источники радиоизлучения работает следующим образом.
1
К
1
К
1
К
Контроллер 9, с определенной частотой, дает команду коммутатору 2 и блоку вычисления ковариационной матрицы 4, которые параллельно производят следующие действия. Коммутатор 2 замыкает цепь и принятые антенными элементами антенной решетки 1 сигналы проходят через коммутатор 2, канал пеленгования 3…3 в блок вычисления ковариационной матрицы 4, при этом вычисляется ковариационная матрица сигналов вместе с собственными шумами. При разомкнутой цепи в блок вычисления ковариационной матрицы 4 поступают только шумы, создаваемые каналами пеленгования 3…3. В этом случае определяется мощность собственных шумов в каналах пеленгования 3…3.
s
1
2
M
T
На антенные элементы антенной решетки 1 поступают сигналы от М источников радиоизлучения. Вектор сигналов на выходе К антенных элементов антенной решетки 1, имеет вид X(t)=AN(θ)⋅S(t), где S(t)=[s(t),s(t),…,s(t)] - вектор сигналов, поступающих на антенную решетку 1 с различных направлений, AN(θ) - матрица направленности размерности К*М, θ - азимутальный угол.
1
2
M
1
2
M
Матрица направленности AN(θ) имеет вид AN=[A(θ),A(θ),…,A(θ)], где θ, θ, …, θ - азимутальные углы прихода М сигналов. Она состоит из М векторов направленности
k
k
m
здесь λ - длина волны, d - расстояние от k-го антенного элемента до фазового центра антенной решетки, ϕ - угловая координата k-го антенного элемента, θ - азимут в направлении на m-й источник сигнала. Вектор направленности A(θ) играет основную роль в диаграммообразовании и определении направлений прихода сигналов.
1
К
Сигналы с выходов антенных элементов антенной решетки 1, пройдя через канал пеленгования 3…3, поступают в блок вычисления ковариационной матрицы 1. В этом блоке оценивается ковариационная матрица сигналов
где Е[⋅] - оператор математического ожидания, Т - время усреднения, «н» - операция транспонирования и комплексного сопряжения.
Ковариационная матрица сигналов имеет вид
S
где X(t) - вектор сигнальных составляющих в каналах антенной решетки, N(t) - вектор-столбец собственных шумов в каналах системы пеленгации размерности K.
1
К
1
К
Вследствие того, что собственные шумы в приемных каналах пеленгования 3…3 независимы, т.е. в момент разрыва цепи, когда коммутатор 2 размыкает вход канала пеленгования 3…3 с выходом антенного элемента антенной решетки 1, последнее слагаемое в (3) представляется в виде диагональной матрицы
1
К
где , , …,  - дисперсии (мощности) собственных шумов в каналах пеленгования 3…3.
С учетом (4) ковариационную матрицу шумов и сигналов (3) можно записать следующим образом
s
S
S
1
К
H
где R=E[X(t)X(t)]/T - ковариационная матрица сигналов в каналах пеленгования 3…3.
Значения вычисленной ковариационной матрицы, через выход К×К, а дисперсии шума через выход 1×К, поступают в блок определения ковариационной матрицы 5 с коррекцией шумов, в котором из ковариационной матрицы R сигналов и шума вычитаются дисперсии шумов по правилу
где β - величина, характеризующая точность оценки уровня шумов. Полученный результат передается в блок вычисления пространственного спектра 7.
В блоке вычисления пространственного спектра 7 происходит обработка поступившего сигнала (рассчитывается пространственный спектр) с использованием одного из известных ковариационных алгоритмов пеленгации - Теплового шума [3]
Полученный пространственный спектр в блоке вычисления пространственного спектра 7 передается в блок оценки направления источника радиоизлучения 6.
Практическое применение данного устройства состоит в том, что оно позволит повысить чувствительность устройства и обеспечить повышенную разрешающую способность при оценке направлений на источники радиоизлучения.
Это наглядно показано на Фиг. 2 и Фиг. 3, где показаны пространственные спектры четырех узкополосных сигналов с разными амплитудами, приходящими с разных направлений без коррекции шума и с коррекцией шума, соответственно, при условии, что точность оценки уровня шума в каналах пеленгования равна β=0.9. Амплитуды сигналов и направления прихода и приведены в Таблице 1. Уровень белого шума с нормальным законом распределения в каналах пеленгования равен σ=3.0 мкВ/м.
Из чертежей видно, что в случае без коррекции шумов (Фиг. 2) вершины пространственного спектра, соответствующие направлениям прихода сигналов, малоконтрастны. После коррекции шумов (Фиг. 3) вершины пространственного спектра стали более острыми, и по ним возможна более точная оценка направлений прихода.
Литература
1. Патент №2416879 РФ, МПК Н04В 15/00. Способ обработки аддитивной смеси сигнала и белого шума / А.В. Гарбузов (UA); А.В. Гарбузов (UA). - №2008138000/09; Заявлено 23.09.2008; Опубл. 27.03.2010, Бюл. 9. - 12 с.: 9 ил.
2. Патент №2350977 РФ, МПК G01S 5/00. Способ и устройство корреляционного отождествления пеленгов / Е.Б. Мазаков, М.Д. Поведайко, А.В. Старостин, С.Г. Респянский, Д.В. Павлов (РФ); Санкт-Петербургское высшее училище радиоэлектроники ПВО (РФ). - №2006119569/09; Заявлено 05.06.2006; Опубл. 27.12.2007, Бюл. 9. - 12 с.: 5 ил.
3. W. Gabriel, «Spectral Analysis and Adaptive Array Superresolution Techniques*, Proc. IEEE, 68, 654 (1980).