Способ контроля излучения нескольких источников частотно-неразделимых сигналов
METHOD OF CONTROLLING RADIATION OF MULTIPLE SOURCES OF FREQUENCY-INSEPARABLE SIGNALS

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в многоканальных моноимпульсных обнаружителях-пеленгаторах (ОП) систем радиомониторинга для решения задач радиоконтроля источников радиоизлучений (ИРИ).
В реальных условиях имеет место многолучевое распространение сигнала. Для повышения показателей эффективности радиомониторинга задача контроля нескольких источников частотно-неразделимых сигналов при наличии преднамеренных помех является весьма актуальной. В общем случае будем считать, что если спектральные компоненты радиоволн попадают в один и тот же элемент разрешения ОП по частоте (например, элементарный частотный канал преобразования Фурье), то такие источники радиосигналов частотно-неразделимые для данного ОП.
2
Известны способы радиоконтроля пеленгования источников радиоизлучения, основанные на азимутальном пеленговании ИРИ и представленные в [1], в которых рассматривается задача идентификации в одноэтапном варианте непосредственно по сигналам антенн , принимаемым на фоне независимых шумов одинаковой дисперсией σ в каналах приема интенсивности. Правило идентификации ИРИ в шумах известной и неизвестной интенсивности предполагает сравнение решающих статистик с пороговым уровнем h:
, (1)
, (2)
где  – максимальные значения углового спектра принятых сигналов,
0
Z(θ) – значения углового спектра принятых радиосигналов с заданного направления,
θ – направление азимута на ИРИ,
E – суммарная энергия принятых радиосигналов,
h – порог, выбираемый исходя из критерия Неймана-Пирсона и обеспечивающий требуемую вероятность правильной идентификации.
Однако указанные способы контроля излучения источника в заданном направлении предполагают выполнение процедуры пеленгования, что сопряжено с использованием значительных объемов памяти, приводящим к снижению быстродействия систем радиоконтроля.
Наиболее близким к предлагаемому способу является [2], используемый далее в качестве прототипа и предполагающий оценивание значения глобального максимума углового спектра, измерение значения углового спектра принятых радиосигналов с заданного направления и сравнение с порогом, по результатам чего судят о приходе радиоизлучения с заданного направления.
Данный способ предполагает выполнение следующих процедур:
1. Прием радиоизлучения с помощью N антенн и N-канального приемного устройства.
2. Синхронное преобразование радиосигналов всех каналов приема с получением их квадратурных составляющих, перемножение отсчетов радиосигналов на их сопряженные значения, накопление результатов перемножения за время наблюдения по совокупности антенн. Мгновенное значение радиосигнала n-й антенны, n = 0…N-1 в момент времени τ = 0,1,2,… представляет собой смесь принятого радиосигнала источника радиоизлучения и шума:
(3)
где  – комплексная огибающая радиосигнала в фазовом центре антенной решетки,
n
n
θ, β – азимут и угол места направления на источник излучения соответственно,
– вектор аддитивного шума.
1. Вычисление значений энергий и взаимной энергий радиосигналов, принятых антеннами по формулам
(4)
(5)
2. Измерение значений углового спектра принятых радиосигналов с заданного направления путем взвешенного суммирования энергии и взаимной энергии с весами, определяемыми характеристиками направленности антенн по формуле
, (6)
где – комплексный коэффициент направленности n-й антенны,
n
E – энергия радиосигнала, принятого n-й антенной,
– взаимная энергия радиосигналов, принятых антеннами с номерами n и n',
max
max
1. Вычисление максимального значения углового спектра Z(θ,β) по возможным направлениям прихода радиоволны по формуле
. (7)
0
0
2. Вычисление значения углового спектра Z(θ,β) с заданного направления прихода радиоволны по формуле
(8)
max
max
0
0
2. Формирование решающей статистики Λ как отношения разности суммарной энергии сигналов (E) и максимального значения углового спектра Z(θ,β) к разности суммарной энергии и значения углового спектра принятых радиосигналов с заданного направления Z(θ,β):
, (9)
где E – суммарная энергия принятых радиосигналов,
max
max
Z(θ,β) – максимальное значение углового спектра принятых сигналов,
0
0
Z(θ,β) – значения углового спектра принятых радиосигналов с заданного направления.
1. Сравнение решающей статистики Λ с порогом h.
2. Принятие решения о наличии радиоизлучения с заданного направления в случае выполнения неравенства
Λ > h (10)
Если порог h превышен, принимают решение о наличии радиоизлучения с заданного (эталонного) направления, в противном случае – о приходе радиоизлучения с направления, отличного от эталонного.
Основными недостатками аналога и прототипа является:
1. Предполагается решение задачи контроля одного источника излучения в заданном направлении. В реальных условиях функционирования обнаружителя-пеленгатора, в сложной электромагнитной обстановке при наличии нескольких источников частотно-неразделимых сигналов актуальной является задача одновременного контроля излучения нескольких источников.
2. Решающая статистика (9) прототипа справедлива, когда антенны обнаружителя-пеленгатора являются идентичными и ненаправленными, а их диаграммы направленности имеют единичную амплитуду, не зависящую от направления прихода радиоволны ИРИ, и описываются функциями вида
, (11)
где R – радиус антенной системы,
n
λ – длина волны излучения,
l
ϕ(θ,β) – фазирующая функция, зависящая от параметров конфигурации антенной системы,
θ – азимут направления на источник,
i – мнимая единица.
В общем случае при наличии взаимных влияний в антенной системе обнаружителя-пеленгатора, а также в случае использования амплитудно-направленных антенных элементов другого типа использование решающей статистики (9) становится несправедливым и приводит к ухудшению показателей эффективности способа-прототипа.
1. Выражение (9) для решающей статистики обнаружения не учитывает наличие межканальной корреляции спектральных отсчетов временных реализаций, обусловленных наличием в реальных условиях внешних помех.
2. Для технической реализации способа-прототипа необходимо обеспечить согласованный прием сигнала контролируемых ИРИ с шириной их спектра, однако большинство современных обнаружителей-пеленгаторов являются широкополосными, с полосой мгновенного анализа, на несколько порядков превышающей ширину сигнала, что требует выполнение дополнительной процедуры обнаружения сигнала в спектральной области. Использование дополнительного узкополосного приемника для решения задачи контроля приводит к существенному усложнению аппаратуры.
3. Способ не обеспечивает контроль источников частотно-неразделимых сигналов.
Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является повышение эффективности контроля излучения нескольких источников частотно-неразделимых сигналов с помощью многоканальных моноимпульсных обнаружителей-пеленгаторов с произвольной структурой и характеристиками направленности антенной системы.
Достигаемый технический результат – повышение эффективности идентификации нескольких источников частотно-неразделимых сигналов за счет стабилизации уровня правильной идентификации и снижения уровня ложной идентификации источников радиоизлучения, расположенных вблизи заданных направлений в реальных условиях, при неизвестной интенсивности шума и различии амплитуд принятых сигналов с выходов антенн с произвольными характеристиками направленности антенных элементов.
В результате решения поставленной задачи предлагаемый способ контроля излучения нескольких источников частотно-неразделимых сигналов включает выполнение следующих процедур:
1. Прием радиоизлучения с помощью N антенн и N-канального приемного устройства.
2. Синхронное преобразование радиосигналов всех каналов приема с получением их квадратурных составляющих, перемножение отсчетов радиосигналов на их сопряженные значения, накопление результатов перемножения за время наблюдения по совокупности антенн. Мгновенное значение радиосигнала n-й антенны, , в момент времени τ=0,1,2,… представляет собой смесь принятого радиосигнала источника радиоизлучения и шума:
(12)
где  – комплексные амплитуды радиосигналов,
– матрица, составленная из азимутов и углов места направления на источники частотно-неразделимых сигналов,
T
(θ β) – оператор транспонирования,
– комплексный коэффициент направленности n-й антенны,
– вектор аддитивного гауссовского шума с матрицей коэффициентов корреляции  (в случае некоррелированного шума матрица становится диагональной единичной матрицей).
1. Формирование матрицы взаимных энергий, накопленных по спектральным компонентам радиосигнала в каждом измерении комплексных амплитуд сигналов и последующее суммирование матриц по формуле
, (13)
где  – оператор эрмитово сопряжения.
2. Для каждого контролируемого частотного участка выделяемой полосы мгновенного анализа выполняется измерение значений многосигнального углового спектра с учетом межканальной корреляции спектральных отсчетов временных реализаций по формуле:
, (14)
где
,
,
,
– матрица Фишера (оценок комплексных амплитуд напряженностей электрического поля принимаемых радиоволн),
– оператор следа матрицы.
1. Вычисление максимального значения многосигнального углового спектра  по возможным направлениям прихода радиоволны по формуле
. (15)
2. Вычисление значения многосигнального углового спектра  с заданных направлений прихода радиоволны по формуле
. (16)
3. Формирование решающей статистики как отношения разности следа от произведения матрицы взаимных энергий на обратную матрицу коэффициентов корреляции шума, , и максимального значения многосигнального углового спектра к разности следа от  и значения многосигнального углового спектра принятых радиосигналов с заданного направления
, (17)
где  – максимальное значения многосигнального углового спектра принятых сигналов,
– значения многосигнального углового спектра принятых радиосигналов с заданного направления.
1. Сравнение решающей статистики Λ с порогом h.
2. Принятие решения о наличии радиоизлучения с заданного направления в случае выполнения неравенства Λ > h.
Если порог h превышен, принимают решение о наличии радиоизлучения с заданного (эталонного) направления, в противном случае – о приходе радиоизлучения с направления, отличного от эталонного.
Предлагаемый способ контроля излучения нескольких источников частотно-неразделимых сигналов лишен перечисленных выше недостатков прототипа, а именно:
1. Предлагаемый способ позволяет решить задачу идентификации нескольких источников радиоизлучения.
2. Решающая статистика (17) предлагаемого способа справедлива в случае антенной системы с произвольной структурой и характеристиками направленности антенных элементов, в частности, в используемом в прототипе предположении, что антенны обнаружителя-пеленгатора являются идентичными и ненаправленными. Это позволяет использовать предлагаемый способ в реальных условиях функционирования обнаружителей-пеленгаторов, когда имеют место взаимные влияния антенн друг на друга.
3. Выражение (17) для решающей статистики контроля излучения нескольких источников частотно-неразделимых сигналов предлагаемого способа учитывает наличие межканальной корреляции спектральных отсчетов временных реализаций, обусловленных наличием в реальных условиях внешних помех, что позволяет при разработке обнаружителей-пеленгаторов проводить анализ достижимых показателей эффективности обнаружения сигналов ИРИ в условиях насыщенной электромагнитной обстановки, а также учитывать наличие корреляции помех в реальных условиях функционирования обнаружителей-пеленгаторов.
1. Прием сигнала осуществляется в широкой полосе частот мгновенного анализа, что дает возможность одновременного контроля нескольких ИРИ в заданном направлении.
2. В случае выполнения неравенства (10) (принятие решения о наличии излучения нескольких источников частотно-неразделимых сигналов) накопление матрицы взаимных энергий в каждом измерении комплексных амплитуд сигналов выполнятся по правилу  ( – матрица взаимных энергий, накопленная по результатам предыдущих процедур идентификации,  – матрица взаимных энергий, вычисленная при выполнении текущей процедуры идентификации источника радиосигнала с заданных направлений), что повышает вероятность правильной идентификации излучения источника с заданного направления за счет увеличения объема наблюдаемых данных.
Предложенный способ обеспечивает возможность одновременного контроля нескольких источников частотно-неразделимых сигналов с обеспечением стабилизации уровня правильной идентификации и снижение уровня ложной идентификации источников радиоизлучения, расположенного вблизи заданных направлений, а так же при неизвестной интенсивности шума.
Схема для реализации предлагаемого способа представлена на фиг. 1.
Устройство, реализующее предложенный способ, содержит:
1.1-1.N – многоканальная антенная система,
2 – радиоприемное устройство,
3 – измеритель энергии,
4 – блок определения модуля,
5 – коммутатор,
6 – запоминающее устройство (ЗУ),
7 – анализатор многосигнального углового спектра,
8 – устройство определения максимума,
9.1, 9.2 – запоминающие ячейки,
10 – накапливающий сумматор,
11 – решающее устройство,
12 – аналого-цифровой преобразователь (АЦП),
13 – оперативное запоминающее устройство,
14.1, 14.2 – умножители,
15.1, 15.2 – накапливающие сумматоры.
Устройство работает следующим образом.
Антенны 1.1…1.N подключены к входам радиоприемного устройства 2 и через его выход к входам измерителя энергии 3, первый выход которого через блок определения модуля 4 соединен с первым входом коммутатора 5 и непосредственно со вторым его входом. Выход коммутатора 5 подключен к первому входу анализатора многосигнального углового спектра 7, ко второму входу которого подключен второй выход измерителя энергии 3, а к третьему входу – выход запоминающего устройства 6. Выход анализатора многосигнального углового спектра 7 соединен с входом устройства определения максимума 8 и входом запоминающей ячейки 9.1. Устройство определения максимума 8 своим выходом подключено к входу запоминающей ячейки 9.2. Второй выход измерителя энергии 3 соединен с входом накапливающего сумматора 10. Выходы запоминающей ячейки 9.1, запоминающей ячейки 9.2 и накапливающего сумматора 10 подключены соответственно к первому, второму и третьему входам решающего устройства 11. Аналого-цифровой преобразователь 12 в составе измерителя энергии 3 со стороны выходов соединен с соответствующими входами оперативного запоминающего устройства 13, первый выход которого подключен к первому входу умножителя 14.1, а второй – ко второму входу умножителя 14.1, первому и второму входу умножителя 14.2, выход умножителя 14.1 соединен с входом накапливающего сумматора 15.1, а выход умножителя 14.2 – с входом накапливающего сумматора 15.2. Выходы накапливающих сумматоров 15.1, 15.2 являются первым и вторым выходами измерителя энергии 3, а выходы решающего устройства 11 – выходом устройства в целом. Еще по одному выходу накапливающих сумматоров 15.1 и 15.2 могут использоваться дополнительно.
Число антенн 1.1, 1.2 … 1.N составляет N ≥ 3. Радиоприемное устройство 2 многоканальное, число каналов равно числу антенн N. Измеритель энергии 3 обеспечивает измерение энергии радиосигналов, принятых каждой антенной, и взаимной энергии радиосигналов пар различных антенн. Аналого-цифровой преобразователь 12 в составе измерителя энергии 3 рассчитан на синхронное преобразование радиосигналов всех каналов приема с получением их квадратурных составляющих с записью результатов в оперативное запоминающее устройство 13. Анализатор углового спектра 7 обеспечивает измерение значений углового спектра по формуле (14).
Устройством определения максимума 8 вычисляется максимальное по возможным направлениям прихода радиоволн значение  по формуле (15) и фиксируется в запоминающей ячейке 9.2. Измеренное значение многосигнального углового спектра в заданном направлении  заносится в запоминающую ячейку 9.1 в момент поступления его с выхода анализатора многосигнального углового спектра 7. По результатам выполненных измерений в решающем устройстве 11 определяют разность следа (суммы диагональных элементов) квадрата нормированной матрицы взаимных энергий и максимального значения многосигнального углового спектра, разность квадрата следа данной матрицы и значения многосигнального углового спектра принятых радиосигналов с заданных направлений, а также отношение этих разностей с образованием решающей статистики по формуле (17). На завершающей стадии отношение разностей сравнивают с порогом, формула (18). Если порог h превышен, принимают решение о приходе радиоизлучения с заданных направлений, а в противном случае о приходе радиоизлучения с направлений, отличных от эталонных.
РЕАЛИЗАЦИЯ
8
На фиг. 2-4 представлены результаты статистического моделирования для семиэлементной эквидистантной кольцевой антенной решетки при отношении радиуса ЭКАР к длине волны, равном единице, и отношении сигнал/шум 10 дБ в пакете моделирования Matlab. Рассмотрен случай контроля излучения двух некогерентных источников частотно-неразделимых сигналов. При статистическом моделировании характеристик контроля излучения двух источников частотно-неразделимых сигналов число статистических испытаний выбиралось равным 10, количество накоплений матрицы взаимных энергий полагалось равным 3. Азимутальные направления принимались равными 0 градусов на первый источник, 15 градусов на второй источник, угол места 0 градусов. Матрица, характеризующая направления на источники излучения, имеет вид
.
В случае наличия двух направлений (J = 2), матрица Фишера (оценок амплитуд напряженностей комплексных амплитуд электрического поля принимаемых частотно-неразделимых сигналов) примет вид
, (19)
а обратная ей матрица корреляции данных оценок
(20)
Двухсигнальный пеленгационный рельеф (14) записывается как
, (21)
где введена функция пространственной корреляции двух плоских волн
. (22)
В том случае, когда внутренние шумы приемных каналов независимы и одинаковы по интенсивности, матрица корреляции  становится диагональной, многосигнальный угловой спектр имеет вид
. (23)
В каждом статистическом эксперименте по одинаковым исходным данным вычислялись величины, соответствующие решающей статистике предложенного способа, формула (17):
.
В качестве примера, при проведении моделирования формировался коррелированный вектор гауссовского шума с матрицей корреляции, элементы которой имеют вид
.
Матрица  имеет вид:
(24)
На фиг. 2 приведены зависимости вероятности  идентификации двух источников частотно-неразделимых сигналов к эталонам от угловых расстояний до него, при этом , с шагом  ( – угловое расстояние до ИРИ). Матрица корреляции Q – единичная.
На фиг. 3 приведены зависимости вероятности P идентификации двух источников частотно-неразделимых сигналов к эталонам от угловых расстояний до него, при этом , с шагом  Матрица корреляции Q – единичная.
На фиг. 4 приведены зависимости вероятности  идентификации двух источников частотно-неразделимых сигналов к эталонам от угловых расстояний до него, при этом , с шагом
Порог принятия решения об отождествлении двух источников частотно-неразделимых сигналов с контролируемыми, для обеспечения вероятности правильной идентификации 0,98 равен 0,9.
Из представленных зависимостей (фиг. 2, 3) видно, что вероятность идентификации двух источников частотно-неразделимых сигналов мене 0,1 достигается при угловых расстояниях более 16 градусов. При рассмотрении зависимости (фиг. 4) вероятности идентификации двух источников частотно-неразделимых сигналов при влиянии матрицы коэффициентов межканальной корреляции аддитивного шум (24), вероятность правильной идентификации менее 0,1 достигается при угловых расстояниях более 30 градусов.
Предлагаемый способ контроля излучения нескольких источников частотно-неразделимых сигналов обеспечивает повышение эффективности идентификации нескольких источников частотно-неразделимых сигналов за счет стабилизации уровня правильной идентификации и снижения уровня ложной идентификации источников радиоизлучения, расположенных вблизи заданных направлений, в реальных условиях неизвестной интенсивности шума и различии амплитуд принятых сигналов с выходов антенн с произвольными характеристиками направленности антенных элементов. Способ справедлив для АС с произвольной структурой и характеристиками направленности антенных элементов, в результате чего обеспечивается инвариантность решающей статистики к изменению соотношений уровней сигналов в каналах, в том числе обусловленных взаимными влияниями в антенной системе.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Уфаев В.А. Способы определения местоположения и пространственной идентификации источников радиоизлучений, М.: Воронеж, 2017. с.235-239.
2. Патент РФ №2294546 «Способ идентификации радиоизлучения» / Уфаев В.А., 2005.