СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ И РАСПОЗНАВАНИЯ ИСТОЧНИКА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
METHOD OF DETECTING AND RECOGNISING SOURCE OF ELECTROMAGNETIC RADIATION

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для определения местоположения априорно неизвестных источников радиоизлучения по излучениям их передатчиков, для обнаружения ионосферных каналов обеспечения сверхдальней радиолокации, анализа воздействия мощного электромагнитного излучения на ионосферу с целью оценки негативного воздействия на ионосферу и биообъекты.
Проблемы определения с высокой точностью местоположения и распознавание источников электромагнитного излучения (передатчиков, «нагревных стендов», радионагревательных комплексов) связаны с совершенствованием систем связи и радиотехнического обеспечения, использующих сложные сигналы с малой спектральной плотностью мощности. В связи с энергетической скрытностью сложных сигналов необходимо минимизировать число приемных позиций (US, патент 5719584, МПК G01S 3/02, 1998 г.), а для сохранения однозначности результатов требуется увеличение числа приемных позиций (FR, патент 2688892, МПК G01S 3/40, 1989 г.).
Известен способ многопозиционного определения местоположения передатчиков декаметровых волн по патенту RU №2285935, МПК G01S 5/04, 2005 г., в котором для повышения точности определения местоположения передатчиков по широкому классу сигналов, включая сложные сигналы с малой спектральной плотностью мощности, устраняют аномальные ошибки измерений на основе комбинации однопозиционного и многопозиционного способов определения координат, при этом учитывается дополнительная информация о закономерностях ионосферного распространения сигналов передатчика.
Известен способ распознавания сигналов систем связи по патенту RU №2340910, МПК G01R 23/16, 2008 г., при котором осуществляется адаптивная многоступенчатая настройка параметров системы приема и цифровая обработка сигнала: преобразование Фурье, получение спектров сигнала и измерение его частотных параметров (средняя частота спектра, ширина его полосы частот).
Так как предлагаемое техническое решение основано на воздействии электромагнитного излучения на ионосферу, то в качестве прототипа принят способ однопунктовой дальнометрии источников электромагнитного излучения по патенту RU №2118836, МПК G01S 5/02, 1998 г., в котором дальность определяется по времени задержки ионосферного отражения относительно сигнала земной волны, высоте отражающего слоя ионосферы и учитываются характеристики сигнала, для чего определяют опорную частоту электромагнитного излучения, соответствующую максимуму амплитудного спектра сигнала.
Практически все вышеуказанные способы обнаружения и определения источника электромагнитного излучения тем или иным путем решают задачу повышения точности определения местоположения (координат, дальности, направление излучения) источников, которая является важнейшей характеристикой таких измерений, а ее улучшение актуальной задачей.
Технической задачей предлагаемого способа является повышение достоверности обнаружения и распознавания (идентификации) источника электромагнитного излучения (нагревного стенда) путем использования информации ионосферного отражения сигнала нагревного стенда в низкочастотном (НЧ) и высокочастотном (ВЧ) диапазонах.
Для достижения технического результата предлагается способ однопозиционного обнаружения и распознавания источника электромагнитного излучения, включающий прием в высокочастотном диапазоне магнитной составляющей электромагнитного поля по нескольким ортам, определение амплитуды и несущей частоты, соответствующей максимуму амплитудного спектра сигнала для определения пеленга (направления прихода электромагнитного излучения) на источник излучения при превышении установленного порога обнаружения, в котором дополнительно определяют в высокочастотном диапазоне вид и параметры модуляции (индекс, девиация, время девиации и т.д.) принятого сигнала, наличие гармонических составляющих несущей частоты, время начала и окончания существования сигнала, дополнительно осуществляют прием сигнала в низкочастотном диапазоне, определяют амплитуду, частоту, вид временной функции и пеленг на его источник, сравнивают время начала и окончания существования сигналов в высокочастотном диапазоне, у которых обнаружено две и более гармонических составляющих несущей частоты, с временем начала и окончания существования сигналов в низкочастотном диапазоне, вид модуляции сигналов высокочастотного диапазона и вид временной функции сигналов низкочастотного диапазона, и выделяют те пары сигналов источников излучения, у которых разница во времени прихода сигналов постоянна, вид модуляции высокочастотного сигнала и вид временной функции низкочастотного сигнала одинаковы, а направления пеленгов на сигналы в низкочастотном и высокочастотном диапазонах совпадают. При выполнении этих условий сигнал идентифицируют, как принадлежащий к распознаваемому источнику электромагнитного излучения (нагревному стенду).
На фиг.1 приведена блок-схема, поясняющая принцип построения алгоритма распознавания сигналов предлагаемым способом; на фиг.2 - пример спектрального распределения в ВЧ диапазоне частот с исключением постоянно работающих радиосредств (частоты 2.8 и 6.5 МГц); на фиг.3 - исключение сигналов, не превышающих установленный порог обнаружения; на фиг.4 - панорамный обзор сигнала частотой 4.3 МГц, превышающего порог обнаружения для определения частоты модуляции (маркер на чертеже соответствует частоте модуляции 6.8-7.0 кГц); на фиг.5 - определение закона модуляции сигнала частотой 4.3 МГц (гармонический); на фиг.6 - поиск в НЧ диапазоне сигналов с частотами, равными модуляционным частотам сигналов в ВЧ диапазоне (частота 7 кГц присутствует и совпадает с модуляционной частотой сигнала 4.3 МГц в ВЧ диапазоне); на фиг.7 - вид временной диаграммы сигнала НЧ диапазона (сравнение времени существования сигнала, совпадение вида с законом модуляции сигнала частотой 4.3 МГц показывает на принадлежность сигнала 4.3 МГц к сигналу нагревного стенда); на фиг.8 - структурная схема устройства для реализации способа.
Выполнение способа основано на определении и сравнении ключевых параметров высокочастотного (в диапазоне от 2 до 12 МГц) и низкочастотного (в диапазоне от 0,8 Гц до 100 кГц) электромагнитных излучений. Определение параметров производится с помощью цифровой обработки сигналов, осуществляемой над массивами данных, полученных с трех приемных каналов (магнитной составляющей по ортам X/Y/Z геомагнитного поля) каждого преобразователя магнитного поля.
В частности, используются алгоритмы многоточечного быстрого преобразования Фурье, вычисления сверток и статистической обработки. Определение пеленга источников электромагнитного излучения производится путем попарной взаимной корреляционной обработки сигналов на выходах приемно-усилительных трактов устройства для осуществления способа.
По-операционно предлагаемый способ заключается в следующем:
- устанавливается порог обнаружения сигналов (отношение сигнал/шум составляет около 13 дБ);
- устанавливается полоса анализа 5 кГц для сканирования частотного диапазона;
- производится анализ радиоэлектронной обстановки с формированием банка данных постоянно работающих радиосредств (радиостанций, радиомаяков, РЛС и др.) по критерию превышения среднего уровня гармоники установленного порога обнаружения (первичный анализ приводится 1 сутки);
- исключаются из анализа частоты, включенные в банк данных (фиг.2);
- устанавливается полоса анализа 200 Гц для сканирования частотного диапазона и поиска сигналов источников радиоизлучений ИРИ (нагревных стендов);
- производится поиск сигналов и анализ по критерию превышения среднего уровня гармоники установленного порога обнаружения (фиг.3);
- определяются их параметры (несущая частота, вид и частота модуляции, наличие 2-ой и 3-ей гармоник несущей частоты (фиг.4-5));
- идентификация источника излучения: однозначный критерий принадлежности к нагревному стенду - наличие гармоник несущей частоты (две и более), так как это подтверждает нелинейность источника электромагнитного излучения (неоднородность отражающей среды в ионосфере);
- производится определение пеленга на источник ВЧ излучения при превышении сигнала источника излучения на 10 дБ установленного порога обнаружения;
- поиск модуляционных частот в низкочастотном диапазоне (фиг.6);
- определение параметров сигнала в низкочастотном диапазоне;
- определение пеленга на источник НЧ излучения при превышении сигнала источника излучения на 10 дБ установленного порога обнаружения;
- сравнение данных параметров ВЧ и НЧ излучений и определение возможного предназначения работы нагревного стенда в этот период с этими режимами (фиг.7).
Передача данных на выход устройства: центральная частота, вид модуляции, пеленг, время.
Устройство для осуществления данного способа (фиг.8) состоит из двух частей: низкочастотной и высокочастотной.
Низкочастотная часть включает преобразователь магнитного поля 1 (три стержневые антенны) для измерения в поддиапазоне 0,8-40 Гц, преобразователь магнитного поля 2 (три стержневые антенны) для измерения в поддиапазоне 60-10000 Гц, магнитную изотропную рамочную антенну 3 для измерения в поддиапазоне 10-100 кГц. Каждый из трех каналов преобразователей 1-3 подключены к блоку обработки 4, входы-выходы которого соединены через волоконно-оптическую линию связи (ВОЛС) с блоком сопряжения 5, входы-выходы которого через USB-порт подключены к персональному компьютеру 6.
Синхронизация работы блоков осуществляется посредством источников высокостабильной тактовой частоты 7 и 11, в качестве которых использован приемник GPS.
Высокочастотная часть комплекса включает магнитную изотропную антенну 8 для измерения в диапазоне 2-12 МГц, с трех каналов которой сигналы поступают на блок обработки 9, входы-выходы которого через USB-порт подключены к персональному компьютеру 10.
Объединяет обе части комплекса сетевой концентратор (HUB) 12, входы-выходы которого через Ethernet-порт соединены соответственно с входами-выходами персональных компьютеров (ПК) 6 и 10 и являются выходом устройства.
Прием сигналов осуществляется магнитными преобразователями (антенны) 1-3, 8, каждый из которых имеет три независимых идентичных канала приема магнитной составляющей электромагнитного поля по ортам X/Y/Z, размещенными в одной приемной системе. Сигналы НЧ диапазона поступают в модуль предварительных усилителей блока обработки 4, где широкополосный усилитель с программируемым коэффициентом усиления и высоким подавлением синфазной помехи, а также НЧ-фильтр приводят сигналы к требуемому уровню. Далее сигналы в блоке обработки 4 поступают на аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и в центральный процессор предварительной обработки сигналов. Мультиплексированный сигнал по шине данных передается в контроллер оптического приемо-передатчика и через волоконно-оптическую линию связи - на блок сопряжения 5.
Для координатно-временной привязки сигналов используется GPS-приемник с возможностью передачи ежесекундного сигнала точного времени (широта, долгота, время, дата) и решающий задачу пеленгации на источник, удовлетворяющий условиям регистрации. Прием, преобразование оптического сигнала в электрический сигнал, его демультиплексирование и передача на контроллер USB-порта производится в блоке сопряжения 5 (НЧ диапазона) и в блоке 9 (ВЧ диапазона). Передача-прием данных ПК 6 и 10 между ВЧ и НЧ частями устройства по каналам связи Ethernet.
Предложенная совокупность признаков позволяет использовать при обнаружении и определении источника излучения информацию о закономерностях и особенностях ионосферного распространения сигналов в высокочастотном и низкочастотном диапазонах излучений, когда ионосфера выполняет роль детектора, механизм действия которых пока не изучен. В результате использования данного способа число возможных сигналов, подлежащих анализу, уменьшается, повышая достоверность идентификации источника излучения.