Способ пространственной фильтрации сигналов
METHOD OF SPATIAL FILTERING OF SIGNALS

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к радиопеленгации, и может быть использовано в средствах обнаружения и определения местоположения источников радиоизлучения (ИРИ) и их носителей. Достигаемым техническим результатом является осуществление возможности беспоискового мониторинга пространства по направлению в секторе 0-360° с увеличением точности пеленгования ИРИ и обеспечение отдельного анализа сигналов с каждого направления.
Указанный результат достигается приемом сигналов от различных ИРИ рядом антенных элементов (АЭ) в сумме перекрывающих сектор 360° (Фигура 1), причем угол между осевыми линиями соседних АЭ не больше ширины диаграммы направленности главного лепестка. Совокупность АЭ представляет собой кольцевую эквидистантную антенную решетку (КЭАР). Принцип точного определения направления на ИРИ методом анализа области пересечения диаграмм направленности двух соседних АЭ КЭАР представлен на фигуре 2, суть которого состоит в пространственной фильтрации сигналов, выполняемой в соответствии с алгоритмом, приведенным на Фигуре 3.
В области пересечения диаграмм направленности АЭ КЭАР, развернутых между собой на угол не более ширины диаграммы направленности (Фигура 2) частотные составляющие принимаемых сигналов модулируются по амплитуде структурой диаграмм направленности каждого из двух АЭ. Далее сигналы принятые АЭ преобразуются из аналогово в цифровой вид для дальнейшей обработки (1).
Осуществляется расчет амплитудно-фазовых спектров сигналов (2), принятых каждым из двух АЭ, который позволяет произвести распределение спектральных составляющих сигналов по направлениям, используя информацию о частоте (3, 10), фазе (4) и отношении амплитуд каждой из спектральных составляющих (5, 6, 7) сигналов, принятых на АЭ. При совпадении частоты (3, 10) и фазы (4) спектральной составляющей сигнала осуществляется сравнение рассчитанного отношения амплитуд (5, 6, 7) с ране измеренными и рассчитанными по эквиваленту ИРИ и записанными в память устройства, реализующего способ (8). Отношение амплитуд в памяти устройства, реализующего способ, соответствуют каждому из направлений в области пересечения диаграмм направленности АЭ для каждой из частот сканируемого диапазона (Фигура 4). После определения направления прихода спектральной составляющей сигнала (8) осуществляется ее перенос в соответствующую позицию по направлению и частоте выходного массива (11) (Фигура 5).
Известно множество способов пеленгования сигналов, ближайшими по технической сущности к предлагаемому являются следующие способы.
Амплитудный способ радиопеленгования, заключающийся в приеме радиосигнала с помощью М идентичных направленных антенн, образующих в плоскости пеленгования КЭАР. Осевые линии (фокальные оси) антенн, совпадают с направлениями их главных лепестков диаграмм направленности и сдвинуты в плоскости пеленгования одна относительно другой таким образом, что диаграммы направленности смежных антенн пересекаются на уровне не более трех децибел, а всех М антенн в сумме перекрывают сектор пеленгования 360° (2π радиан). По измеряемым амплитудам сигналов, принятых элементами антенной решетки, выбирается порядковый номер антенны с максимальной амплитудой принятого сигнала и определяется в пределах от 0 до 2π радиан азимут источника радиосигнала путем сравнения максимальной амплитуды сигнала и амплитуд сигналов, принятых двумя соседними антеннами относительно антенны с выбранным порядковым номером. Вычисление азимута осуществляется с учетом угловой ориентации в плоскости пеленгования осевой линии антенны с максимальной амплитудой принятого сигнала и априорной информации о форме главного лепестка диаграмм направленности антенн [Патент Российской Федерации RU №2319975, G01S 5/04, опубл. 2008 г.]. Ограничением этого способа радиопеленгования являются низкая точность пеленгования, обусловленная погрешностями аппроксимации в широком диапазоне частот формы главного лепестка диаграмм направленности элементов антенной решетки и искажениями формы главного лепестка диаграммы направленности элементов антенной решетки из-за их взаимного влияния.
m
Известен также радиопеленгатор, выполненный из идентичных направленных антенных элементов с кардиоидными диаграммами направленности, образующих в плоскости пеленгования КЭАР. Осевые линии элементов антенны, совпадающие с направлениями максимумов их диаграмм направленности, размещены в плоскости антенной решетки и проходят через ее центр. Радиоприемный блок состоит из М каналов равного количеству элементов антенной решетки. Он измеряет амплитуды сигналов U в каждом канале. По измеренным значениям амплитуд сигналов в каждом канале вычислитель азимута определяет значение направления на источник радиосигнала в пределах от 0 до 2π радиан. Синхронизацию работы радиоприемного блока и вычислителя азимута синхронизирует генератор синхроимпульсов. [Патент Австралии №409960, G01S 51 57, опубл. 1971 г.]. Ограничением этого радиопеленгатора являются невысокая точность, низкая чувствительность пеленгования и ограниченный рабочий диапазон, обусловленные, во-первых, наличием методических ошибок пеленгования из-за искажений формы кардиодных диаграмм направленности антенн, связанных с частотной зависимостью диаграмм направленности и взаимным влиянием антенн в составе антенной решетки, во-вторых, небольшим коэффициентом направленного действия антенн с кардиодной диаграммой направленности.
m
Амплитудный способ радиопеленгования, заключающийся в том, что принимают радиосигнал с помощью М антенн, выполненных идентичными и направленными, образующих КЭАР, причем используют количество М антенн, выбираемое по формуле M=4i+2, где i=1, 2, 3, … - целые положительные числа, не равные нулю. Кроме того, антенны выполняют с шириной главного лепестка диаграммы направленности по уровню минус три децибела, не меньшей угла между осевыми линиями соседних антенн антенной решетки. Производят измерение амплитуд U сигналов, оценивают азимут  источника радиосигнала. Радиопеленгатор содержит М антенн, радиоприемный блок, вычислитель азимута , выполненный с возможностью вычислений функций вида:
m
m
где U - амплитуда сигнала, принятого m-й антенной; α - угол между осевой линией m-й антенны и осевой линией антенной решетки; m=1, 2, …, М; М - количество антенн в антенной решетке [Патент Российской Федерации RU №2521959, G01S 3/28, опубл. 2014 г.]. Ограничениями этого способа радиопеленгования являются низкая точность пеленгования, обусловленная наличием методических ошибок пеленгования из-за искажений формы диаграмм направленности антенн, связанных с частотной зависимостью диаграмм направленности и взаимным влиянием антенн в составе антенной решетки.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному способу является способ определения направления на источник радиоизлучения методом анализа области относительно оси симметрии двух рупорных антенн [Патент Российской Федерации RU №2593835, G01S 5/00, опубл. 2016 г.], сущность которого заключается в определении направления на источник радиоизлучения в анализируемой области рупорных антенн за счет использования ранее измеренных и вычисленных амплитудных коэффициентов, соответствующих каждому из возможных направлений прихода радиосигнала. Ограничением наиболее близкого способа радиопеленгования является низкая точность пеленгования в широком диапазоне частот (длин волн) из-за изменения формы диаграммы направленности при изменении частоты принимаемого сигнала.
В целом указанные ограничения приводят к снижению качества пеленгации и ограничению области применения вышеперечисленных способов.
Отличаем предлагаемого способа от ближайшего аналога [Патент Российской Федерации RU №2593835, G01S 5/00, опубл. 2016 г.] является разложение принимаемых сигналов на спектральные составляющие и распределение их по направлениям с помощью вычисленной информации о частоте, фазе и значении отношения амплитуд. Результатом применения предлагаемого способа является ряд широкополосных сигналов, распределенных по направлениям, позволяющий производить не только определение направления на источник сигнала, но и полноценный анализ каждого из принимаемых сигналов отдельно от других. Реализация предложенного способа позволит осуществлять беспоисковый мониторинг пространства по направлению и частоте. Также повышается точность пеленгования, поскольку по сравнению с аналогами изменение формы диаграммы направленности АЭ по частоте и взаимное влияние АЭ в составе антенной решетки учтено в записанных значениях отношений амплитуд спектральных составляющих.