СПОСОБ ПОЛЯРИЗАЦИОННО-НЕЗАВИСИМОГО ОБНАРУЖЕНИЯ И ЛОКАЛИЗАЦИИ ШИРОКОПОЛОСНЫХ РАДИОСИГНАЛОВ
METHOD OF POLARISATION-INDEPENDENT DETECTION AND LOCALISATION OF WIDEBAND RADIO SIGNALS

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в радиотехнике для обнаружения и частотно-пространственной локализации источников радиоизлучений в условиях априорной неопределенности.
Достижение теоретически предельной эффективности обнаружения и локализации сигналов источников радиоизлучений ограничивается существенной априорной неопределенностью относительно параметров контролируемых радиосигналов и несовершенством способов их обработки.
Применение способов поляризационно-независимого обнаружения и локализации сигналов является одним из основных путей повышения эффективности широкого класса измерительных систем в условиях априорной неопределенности.
Известен способ поляризационно-независимого обнаружения и локализации широкополосных сигналов [1], заключающийся в том, что:
принимают радиосигналы неизвестной поляризации антенной решеткой, состоящей из магнитных антенн с совмещенными фазовыми центрами,
формируют ансамбль радиосигналов, зависящий от времени и номера антенны,
синхронно преобразуют ансамбль принятых радиосигналов в цифровые сигналы,
преобразуют цифровые сигналы пар противоположных антенн в комплексные квадратурные составляющие дипольного и квадрупольного выходных сигналов,
получают информацию о направлении прихода радиосигналов по разности фаз сигналов квадратурных составляющих дипольного и квадрупольного выходных сигналов.
Данный способ обеспечивает повышенную устойчивость пространственной локализации сигналов к поляризационным ошибкам. Однако этот способ в условиях, близких к максимальной априорной неопределенности, то есть когда априорно неизвестны параметры поляризации, направление прихода и положение спектра локализуемого сигнала в анализируемой частотно-временной области, теряет свою эффективность.
Более эффективным является способ поляризационно-независимого обнаружения и локализации широкополосных сигналов [2], свободный от этого недостатка и выбранный в качестве прототипа. Согласно этому способу:
принимают радиосигналы N вертикально поляризованными антеннами в заданной полосе частот,
синхронно преобразуют ансамбль принятых сигналов в цифровые сигналы,
из цифровых сигналов на каждой  частоте полосы приема формируют сигнал вертикально поляризованной компоненты  комплексного амплитудно-фазового распределения (АФР),
формируют квадраты модулей коэффициентов взаимной корреляции вертикально поляризованной компоненты комплексного АФР  на частоте  с вертикально поляризованной компонентой комплексного АФР  на всех остальных частотах  полосы приема,
сравнивают квадраты модулей коэффициентов взаимной корреляции  с порогом,
радиосигналы с частотами, на которых превышен порог, объединяют в сигнал, который
идентифицируют как i-й обнаруженный радиосигнал, принадлежащий одному передатчику,
фиксируют полосу частот локализации i-го радиосигнала,
(i)
усредняя сигналы вертикально поляризованных компонент комплексного АФР  в найденной полосе частот локализации, формируют сигнал вертикально поляризованной компоненты комплексного АФР i-го радиосигнала,
(i)
по полученному АФР формируют двумерный комплексный угловой спектр, по которому определяют азимут и угол места передатчика i-го обнаруженного радиосигнала.
Способ-прототип эффективно решает задачу обнаружения и частотно-пространственной локализации широкополосных сигналов известной поляризации. Однако по сигналам неизвестной поляризации, то есть в тех случаях, когда поляризационные характеристики антенн приемной решетки не согласованы с поляризацией падающих волн или антенны решетки расположены вблизи отражателей, которые могут изменить поляризацию, данный способ теряет свою эффективность.
Техническим результатом изобретения является повышение эффективности обнаружения и частотно-пространственной локализации широкополосных сигналов источников радиоизлучений в условиях априорной неопределенности относительно вида поляризации, углов прихода, ширины спектра и положения спектра на оси частот принимаемых сигналов.
Повышение эффективности обнаружения и локализации сигналов достигается за счет дополнительной информации, извлекаемой путем:
- использования поляризационных параметров сигналов в качестве дополнительного признака идентификации составляющих поля локализуемых сигналов;
- применения операций формирования двухкомпонентного комплексного АФР, включающего вертикально и горизонтально поляризованные компоненты поля принимаемых сигналов, вместо формирования однокомпонентного вертикально поляризованного АФР;
- применения операций оценки поляризационно-угловой близости идентифицируемых составляющих поля локализуемых сигналов вместо операций оценки их угловой близости.
Технический результат достигается тем, что в способе поляризационно-независимого обнаружения и локализации широкополосных сигналов, заключающемся в том, что принимают радиосигналы N вертикально поляризованными антеннами в заданной полосе частот, синхронно преобразуют ансамбль принятых сигналов в цифровые сигналы, из цифровых сигналов на каждой  частоте полосы приема формируют сигнал вертикально поляризованной компоненты  комплексного амплитудно-фазового распределения (АФР), согласно изобретению дополнительно принимают радиосигналы N горизонтально поляризованными антеннами, синхронно преобразуют ансамбль принятых сигналов в цифровые сигналы, из которых на каждой  частоте полосы приема формируют сигнал горизонтально поляризованной компоненты  комплексного АФР, объединяют сигналы вертикально поляризованной  и горизонтально поляризованной  компонент в сигнал двухкомпонентного комплексного АФР  по сигналам двухкомпонентного комплексного АФР  выполняют обнаружение и частотно-пространственную локализацию радиосигналов.
Возможны частные случаи осуществления способа:
1. Обнаружение и частотную локализацию радиосигналов осуществляют путем формирования квадратов модулей комплексных коэффициентов взаимной корреляции сигнала двухкомпонентного комплексного АФР  на частоте  с сигналом двухкомпонентного АФР  на всех остальных частотах  полосы приема, сравнивают квадраты модулей коэффициентов взаимной корреляции  с порогом, радиосигналы с частотами, на которых превышен порог, объединяют в сигнал, который идентифицируют как i-й обнаруженный радиосигнал, принадлежащий одному передатчику, и фиксируют полосу частот его локализации.
Это повышает эффективность обнаружения и частотной локализации широкополосных сигналов в условиях априорной неопределенности относительно вида поляризации и углов прихода принимаемых сигналов.
(i)
(i)
2. Пространственную локализацию радиосигналов осуществляют путем формирования сигнала двухкомпонентного комплексного АФР i-го обнаруженного радиосигнала, преобразования сигнала двухкомпонентного АФР в двумерный комплексный угловой спектр и определения по угловому спектру азимута и угла места передатчика i-го обнаруженного радиосигнала.
Это повышает эффективность пространственной локализации сигналов неизвестной поляризации.
(i)
3. Формирование сигнала двухкомпонентного комплексного АФР i-го обнаруженного радиосигнала осуществляют путем усреднения сигналов двухкомпонентных комплексных АФР  в полосе частот его локализации.
Это приближает чувствительность пространственной локализации сигналов с неизвестной шириной спектра и положением спектра на оси частот к потенциально достижимой.
Предложенный способ, в отличие от способа-прототипа, более полно использует информацию, содержащуюся в принимаемых сигналах, что повышает эффективность обнаружения и локализации априорно неизвестных широкополосных сигналов.
Таким образом, за счет использования в качестве признаков идентификации составляющих поля локализуемых сигналов пространственных и поляризационных параметров сигналов в отличие от способа-прототипа, использующего только пространственные параметры сигналов, применения операций формирования двухкомпонентного комплексного АФР, включающего вертикально и горизонтально поляризованные компоненты поля принимаемых сигналов, вместо формирования однокомпонентного вертикально поляризованного АФР, а также применения операций оценки поляризационно-угловой близости идентифицируемых составляющих поля локализуемых сигналов вместо операций оценки их угловой близости удается решить поставленную задачу с достижением указанного технического результата.
Операции способа поясняются чертежом, на котором изображена структурная схема устройства, реализующего предложенный способ поляризационно-независимого обнаружения и локализации широкополосных сигналов.
Рассмотрим работу устройства, реализующего способ.
Устройство, в котором реализуется предложенный способ, содержит последовательно соединенные антенную систему 1, многоканальный преобразователь частоты 2, многоканальный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 3, вычислитель 4, устройство корреляции и частотной локализации 5 и устройство пространственной локализации 6. Выход устройства 6 используется для соединения с внешними системами. В свою очередь вычислитель 4 содержит параллельно подключенные к выходу АЦП 3 процессоры быстрого преобразования Фурье (БПФ) 7(1)…7(2N), выходы которых через формирователи компонент АФР 8(1) и 8(2) соединены с входами устройства 5.
Антенная система 1 содержит N антенн, каждая из которых состоит из вертикально поляризованных антенных элементов с номерами n=1(v), … N(v) и горизонтально поляризованных антенных элементов с номерами n=1(h), … N(h). Все антенные элементы имеют независимые выходы. В качестве антенных элементов могут использоваться, например, вибраторные или рамочные антенны. Многоканальный преобразователь частоты 2 включает 2N каналов и выполнен с общим гетеродином и с полосой пропускания каждого канала, во много раз превышающей ширину спектра одиночного сигнала передатчика. Общий гетеродин обеспечивает многоканальный когерентный прием сигналов, что является основным условием когерентной регистрации сигналов. Широкая полоса пропускания каналов преобразователя 2 необходима для одновременной регистрации сигналов нескольких передатчиков. Многоканальный АЦП 3 также содержит 2N каналов. Если разрядность и быстродействие АЦП 3 достаточны для непосредственного аналого-цифрового преобразования входных сигналов, как, например, в KB диапазоне радиоволн, то вместо преобразователя 2 может быть использован набор из 2N частотно избирательных полосовых фильтров и усилителей. Вычислитель 4 обеспечивает параллельную обработку сигналов, принимаемых каждым из 2N антенных элементов антенной системы 1, и формирование вертикально поляризованной и горизонтально поляризованной компонент комплексного АФР на дискретных частотах в полосе приема.
Устройство работает следующим образом.
vn
hn
Многочастотные временные сигналы x(t) с выходов антенных элементов с номерами n=1(ν), … N(ν) и сигналы x(t) с выходов антенных элементов с номерами n=1(h), … N(h) антенной системы 1 поступают на входы преобразователя 2, где в полосе приема, во много раз превышающей ширину спектра одиночного радиосигнала передатчика, когерентно переносятся на более низкую частоту.
vn
hn
vn
hn
С помощью АЦП 3 сигналы x(t) и x(t) синхронно преобразуются в цифровые сигналы x(z) и x(z), где z - номер временного отсчета сигнала, и поступают на вход вычислителя 4.
В вычислителе 4 из цифровых сигналов на каждой  частоте полосы приема формируются сигналы вертикально поляризованной компоненты  и горизонтально поляризованной компоненты  комплексного АФР, где L - число дискретных частот в полосе приема.
Отметим, что сигналы вертикально поляризованной  и горизонтально поляризованной  компонент комплексного АФР могут быть сформированы различными способами [3].
vn
hn
t
Рассмотрим способ, в соответствии с которым в процессорах БПФ 7(1)…7(2N) вычислителя 4 из цифровых сигналов x(z) и x(z) формируются сигналы комплексных спектральных плотностей  и  где F{…} - оператор дискретного Фурье-преобразования по времени,  - номер дискреты по частоте,
Сигналы комплексных спектральных плотностей  поступают в формирователь 8(1), а сигналы  - в формирователь 8(2).
В формирователе 8(1) из спектральных плотностей  перемножением и усреднением комплексно сопряженных спектральных плотностей формируется N×N пространственная корреляционная матрица в виде  где ()* - означает комплексное сопряжение. Из сигнала пространственной корреляционной матрицы  формируются сигнал максимального собственного значения и соответствующий сигнал собственного вектора, который используется в качестве сигнала вертикально поляризованной  компоненты комплексного АФР. Формирование сигналов максимального собственного значения и максимального собственного вектора осуществляется известными способами [4, стр.170].
Одновременно в формирователе 8(2) из спектральных плотностей  аналогичным способом формируются сигналы горизонтально поляризованных  компонент комплексного АФР.
Сигналы вертикально поляризованной  и горизонтально поляризованной  компонент комплексного АФР поступают в устройство 5.
В устройстве 5 выполняются следующие действия:
- объединяются сигналы вертикально поляризованной  и горизонтально поляризованной  компонент в сигнал двухкомпонентного комплексного АФР .
Отметим, что сигнал двухкомпонентного комплексного АФР на  частоте представляет собой 2N×1 матричный сигнал  с элементами в виде вектор-столбцов  и ;
- по сигналам двухкомпонентного комплексного АФР  выполняют обнаружение и частотно-пространственную локализацию радиосигналов.
При этом для повышения эффективности обнаружения и частотно-пространственной локализации широкополосных радиосигналов в условиях априорной неопределенности в устройстве 5 выполняются следующие действия:
+
- формируются квадраты модулей комплексных коэффициентов взаимной корреляции сигнала двухкомпонентного комплексного АФР  на частоте  с сигналом двухкомпонентного АФР  на всех остальных частотах  полосы приема,  по формуле  где () обозначает эрмитово сопряжение, которая в развернутой форме имеет следующий вид:
Отметим, что эта формула является более общей по сравнению с формулой, используемой в способе-прототипе  которая предусматривает формирование квадратов модулей коэффициентов взаимной корреляции только сигналов вертикально поляризованных компонент  и  идентифицируемых составляющих поля локализуемых сигналов.
Таким образом, данная операция, являясь одной из основных при достижении технического результата, обеспечивает поляризационную независимость идентификации составляющих поля локализуемых широкополосных радиосигналов и, как следствие, повышает эффективность их обнаружения и локализации.
Физически на данном этапе производится проверка величины комплексной взаимной корреляции сигналов двухкомпонентных комплексных АФР , принятых решеткой антенн на разных частотах полосы приема. Это означает, что сигналы частотных составляющих полосы приема, имеющие одинаковые двухкомпонентные АФР или, что эквивалентно, имеющие одинаковые поляризации и углы прихода, будут идентифицированы как радиосигнал, принадлежащий одному передатчику;
- сравниваются квадраты модулей коэффициентов взаимной корреляции  с порогом.
Порог выбирается исходя из условия минимизации вероятности ложной тревоги;
- радиосигналы с частотами, на которых превышен порог, объединяются в сигнал, который идентифицируется как i-й обнаруженный радиосигнал, принадлежащий одному передатчику;
- фиксируется полоса частот локализации i-го радиосигнала.
Полученные в устройстве 5 двухкомпонентные комплексные АФР  и полоса частот локализации в виде двоичных чисел  отличных от нуля в полосе частот локализации i-го радиосигнала, поступают в устройство 6.
В устройстве 6 выполняются следующие действия:
(i)
- усреднением двухкомпонентных комплексных АФР  в найденной полосе частот локализации формируется сигнал двухкомпонентного комплексного АФР i-го радиосигнала  где  - двоичные числа (0,1), отличные от нуля в полосе частот локализации i-го радиосигнала,  - индекс, соответствующий средней частоте спектра i-го радиосигнала;
(i)
- по полученному АФР формируется двумерный комплексный угловой спектр, по которому определяется азимут и угол места передатчика i-го обнаруженного радиосигнала.
Формирование двумерного комплексного углового спектра может быть осуществлено различными способами, например классическим способом формирования луча или способами высокого разрешения, описанными в [5].
(i)
При использовании классического способа формирования луча выполняется преобразование сигнала двухкомпонентного комплексного АФР i-го радиосигнала  в сигнал двумерного комплексного углового спектра путем его умножения на фазирующую функцию, представляющую собой взвешенную комплексными коэффициентами поляризации сумму двух ортогонально поляризованных векторов наведения.
(i)
Направление, соответствующее максимальному согласованию АФР и фазирующей функции по азимуту, углу места и поляризации, идентифицируется как азимутально-угломестное направление на передатчик i-го обнаруженного радиосигнала.
Полученные азимут и угол места передатчика i-го обнаруженного радиосигнала поступают на внешние системы.
Из приведенного описания следует, что в результате использования операций оценки поляризационно-угловой близости идентифицируемых составляющих поля локализуемых сигналов устройство, содержащее антенную систему из N антенных элементов, многоканальный преобразователь частоты, многоканальный АЦП и многопроцессорный вычислитель, обеспечивает эффективное обнаружение и частотно-пространственную локализацию неизвестных сигналов.
Так, например, описанное устройство с антенной системой, содержащей N антенн, каждая из которых состоит из вертикально поляризованного и горизонтально поляризованного антенного элемента с независимым выходом, обеспечивает по сравнению с устройством, реализующим способ-прототип, повышение чувствительности обнаружения и частотно-пространственной локализации сигналов с линейной наклонной поляризацией, близкой к горизонтальной, на 5 дБ.
Таким образом, предложенный способ поляризационно-независимого обнаружения и локализации широкополосных сигналов за счет дополнительной информации, извлекаемой путем
использования поляризационных параметров сигналов в качестве дополнительного признака идентификации составляющих поля локализуемых сигналов,
применения операций формирования сигналов двухкомпонентного комплексного АФР, включающего вертикально и горизонтально поляризованные компоненты поля принимаемых сигналов,
применения операций оценки поляризационно-угловой близости идентифицируемых составляющих поля локализуемых сигналов,
обеспечивает повышение эффективности обнаружения и частотно-пространственной локализации широкополосных сигналов источников радиоизлучений в условиях априорной неопределенности относительно вида поляризации, углов прихода, ширины спектра и положения спектра на оси частот принимаемых сигналов.
Источники информации
1. US, патент, 5032844, кл. G01S 5/04, 1991 г.
2. RU, патент, 2190236, МПК G01S 5/04, 2002 г.
3. Джонсон Д.Х. Применение методов спектрального оценивания к задачам определения угловых координат источников излучения // ТИИЭР. - 1982. - Т.70. №9. - С.126.
4. Беклемишев Д.В. Дополнительные главы линейной алгебры. М.: Наука. 1983.
5. Ferrara E.R., Parks T.M. Direction Finding with an Array of Antennas Having Diverse Polarizations // IEEE Trans. Antennas Propagation, vol. АР - 31, p.231-236, March 1983.