Способ пеленгации широкополосных сигналов с повышенной разрешающей способностью
METHOD OF DIRECTION FINDING FOR BROADBAND SIGNALS WITH INCREASED RESOLUTION

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах радиолокации, радионавигации и радиосвязи для пеленгации широкополосных сигналов и определения с повышенной разрешающей способностью азимутального и углового направлений на источники их излучения.
Известен способ [1] определения направлений на источники излучения, который заключается в измерении мощности сигнала на выходе направленной приемной антенны при сканировании диаграммой направленности антенны сектора обзора и определении направлений на источники излучения по направлениям оси ДН, соответствующим максимумам значений измеренной мощности.
Недостатком данного способа является то, что точность определения направлений на источники излучения ограничивается шагом изменения направлений оси диаграммы направленности при сканировании сектора обзора, при которых проводятся измерения, а разрешение близко расположенных по угловым координатам точечных источников определяется угловой шириной диаграммы направленности. Также данный способ не позволяет обеспечить пеленгацию широкополосных сигналов, угловое расстояние между источниками которых меньше предела Релея.
Известен способ определения направлений на источники излучения и углового разрешения источников [2], заключающийся в разбиение сектора обзора на элементы разрешения по направлению, угловая ширина которых определяется требуемыми точностью определения направлений на источники излучения и углом разрешения источников и по величине гораздо меньше, чем угловая ширина диаграмма направленности приемной антенны, и определении направления на источники излучения, как направления элементов разрешения, соответствующих максимумам в полученном при оценивании распределении мощностей источников излучения по элементам разрешения в секторе обзора.
Недостатком данного способа является то, что способ не позволяет обеспечить пеленгацию широкополосных сигналов, угловое расстояние между источниками которых меньше предела Релея.
Известен способ пеленгования с повышенной разрешающей способностью [3], включающий прием многолучевого сигнала источника акустического или электромагнитного излучения антенной решеткой из N элементов, расположенных равномерно по окружности, и формируют ансамбль сигналов, зависящих от времени и номера антенного элемента, преобразование ансамбля принятых сигналов в цифровые сигналы, формирование пространственной корреляционной матрицы, описывающий амплитуды и фазы взаимных сигналов, принятых элементами решетки, преобразование сигнала пространственной корреляционной матрицы в сигналы собственных значений и собственных векторов, сравнение сигналов собственных значений с порогом и при непревышении порога сигнал соответствующего собственного вектора идентифицируется как сигнал собственного вектора, принадлежащий шумовому подпространству, формирование матрицы сигналов собственных векторов шумового подпространства, формирование двумерного сигнала комплексной фазирующей функции, зависящий от заданной частоты приема и описывающий возможные направления прихода сигнала от каждого потенциального источника. Используя сформированную матрицу собственных векторов шумового подпространства и сигнал фазирующей функции, формируют сигнал углового спектра, по максимумам сигнала углового спектра определяют азимут и угол места каждого луча принятого многолучевого сигнала. Полученные двумерные пеленги выделенных лучей отображаются на картографическом фоне.
Недостаток данного способа заключается в том, что он может быть реализован только для кольцевой антенной решетки, функционирующей на одной частоте, что ограничивает область его применения.
Известен способ [4] пеленгации источников радиоизлучения на одной частоте, включающий в себя прием сигналов по средствам многоэлементной антенной системы, синхронное преобразование ансамбля принятых сигналов, зависящих от времени и номера элемента антенной системы, в цифровые сигналы, преобразование цифровых сигналов в сигнал амплитудно-фазового распределения, описывающий распределение амплитуд и фаз на элементах антенной системы, формирование из амплитуд комплексных сигналов амплитудно-фазового распределения системы линейных алгебраических уравнений, описывающих амплитуды сигналов, принятых элементами антенной системы. Каждая строка системы линейных алгебраических уравнений представляет собой сумму произведений коэффициентов полинома экспоненциальных функций, при этом каждое последующее уравнение в системе сформированных линейных алгебраических уравнений является сдвигом вправо на одну позицию по отношению к предыдущему уравнению. Затем определяются корни полинома экспоненциальных функций, представляющие собой параметры экспоненциальных функций, посредством параметров экспоненциальных функций с помощью операции логарифмирования и арккосинуса определяют пеленги источников радиоизлучения. Он позволяет получить оценку пеленгов источников радиоизлучения на основе единственного синхронного измерения сигналов на выходах элементов антенной системы, то есть по совокупности комплексных амплитуд сигналов, сформированных на выходах пеленгационных каналов в некоторый момент времени.
Недостатком данного способа является значительная вычислительная сложность и невозможность пеленгования широкополосных источников радиоизлучения, угловое расстояние между которыми меньше предела Релея.
Известен способ пеленгования источников радиоизлучения [5], включающий в себя вычисление пространственного спектра Фурье сигнала пеленгуемого источника радиоизлучения, принятого элементами двух линейных эквидистантных антенных решеток, причем антенные решетки расположены перпендикулярно друг относительно друга, вычисление комплексно-сопряженного пространственного спектра Фурье пеленгуемого сигнала, принятого элементами второй линейной эквидистантной антенной решетки, преобразование масштабов обоих вычисленных пространственных спектров пеленгуемого сигнала по логарифмическому закону, выполнение корреляционного анализа и измерение относительного сдвига преобразованных пространственных спектров пеленгуемого сигнала, оценивание угловой координаты (пеленга) источника сигнала.
Недостатком данного способа является низкая точность оценки пеленга источника радиоизлучения и невозможность пеленгации источников радиоизлучения, угловое расстояние между которыми меньше предела Релея.
Известен также способ [6] пеленгования с повышенной разрешающей способностью, включающий
n
прием сигналов от источников радиоизлучения многоэлементной антенной решеткой x(t), где n=0, …, N-1 - номер антенного элемента,
n
преобразование принятых сигналов в цифровой вид x(z), где z - номер цифрового отсчета, формирование из цифровых данных сигнала комплексной ковариационной матрицы
где Z - общее количество цифровых отсчетов;
Н - символ комплексного сопряжения и транспонирования;
формирование пеленгационного рельефа по формуле
где S(θ, ϕ) - вектор сканирования антенной решетки по углам θ и ϕ;
i
i
определение углов θ и ϕ каждого луча принятого многолучевого сигнала по максимумам пеленгационного рельефа Р(θ, ϕ).
Этот способ выбран в качестве прототипа предложенного решения.
Недостатком данного способа, как и предыдущих аналогов, является невозможность пеленгования широкополосных источников радиоизлучения.
Технический результат предполагаемого изобретения заключается в возможности пеленгования широкополосных источников радиоизлучения, угловое расстояние между которыми меньше предела Релея.
i
i
k
i
i
Указанный технический результат достигается тем, что в способе-прототипе пеленгования с повышенной разрешающей способностью, включающем прием сигналов источников электромагнитного излучения антенной решеткой из N элементов, формирование ансамбля сигналов, зависящих от времени и номера антенного элемента, синхронное преобразование ансамбля принятых сигналов в цифровые сигналы, преобразование цифровых сигналов в сигнал комплексной пространственной ковариационной матрицы, описывающий амплитуды и фазы взаимных сигналов, принятых элементами решетки, формирование пеленгационного рельефа, определение углов θ и ϕ каждого луча принятого многолучевого сигнала по максимумам пеленгационного рельефа дополнительно в качестве элементов антенной решетки применены излучатели, позволяющие принимать сигналы в широкой полосе частот, полоса частот каждого излучателя разбита на K одинаковых частотных интервалов, в каждом из K частотных интервалов определена частота ω, для которой оптимально формируют пеленгационный рельеф и определяют углы θ и ϕ каждого луча принятого многолучевого широкополосного сигнала по максимумам пеленгационного рельефа, принимают с этих направлений и на заданных частотах многолучевые широкополосные сигналы, а для остальных частот широкополосных сигналов производят их аппроксимацию различными аппроксимирующими функциями.
1
1
На фиг. 1 изображен спектр первого пеленгуемого широкополосного сигнала, приходящего с направления θ=0°, φ=0°.
2
2
На фиг. 2 изображен спектр второго пеленгуемого широкополосного сигнала, приходящего с направления θ=40°, φ=0°.
3
3
На фиг. 3 изображен спектр третьего пеленгуемого широкополосного сигнала, приходящего с направления θ=-21°, φ=0°.
1
На фиг. 4 изображен пеленгационный рельеф на частоте 0.7 ω.
1
На фиг. 5 изображен пеленгационный рельеф на частоте 2.1 ω.
1
На фиг. 6 изображен пеленгационный рельеф на частоте 3.5 ω.
На фиг. 7 изображен спектр восстановленного широкополосного сигнала при K=2.
На фиг. 8 изображен спектр восстановленного широкополосного сигнала при K=8.
На фиг. 9 изображен спектр восстановленного широкополосного сигнала при K=32.
n
n
k
Способ пеленгации широкополосных сигналов с повышенной разрешающей способностью реализуется следующим образом. Аддитивная смесь широкополосных сигналов (фиг. 1-3), приходящих с различных направлений на различных частотах принимается N антенными элементами антенной решетки. Полоса пропускания каждого из N элементов антенной решетки разделена на K одинаковых частотных интервалов. Для каждого из K частотных интервалов определена частота  на которой осуществляется прием сигналов от источников радиоизлучения многоэлементной антенной решеткой x(t). Далее производится преобразование принятых сигналов в цифровой вид x(z) и формирование из цифровых данных сигнала комплексной ковариационной матрицы по формуле (1) для каждой частоты ω. На основе полученной комплексной ковариационной матрицы (1) производится для каждой k-ой частоты частотного диапазона функционирования антенной решетки оптимально формируется пеленгационный рельеф для пеленгации составляющих широкополосных сигналов на данной частоте (фиг. 4-6). Пеленгационный рельеф может строиться как на основе метода Кейпона (2), так и на основе метода «теплового шума», который дает более точное разрешение
i
i
По максимумам пеленгационного рельефа Р(θ, ϕ) определяются углы θ и ϕ каждого луча принятого широкополосного сигнала (фиг. 4-6). Далее полученные составляющие широкополосных сигналов аппроксируются различными аппроксимирующими функциями, например, кусочно-постоянной функцией или кусочно-линейной (фиг. 7-9).
где  - в случае кусочно-постоянной аппроксимации;
k
ω - среднее значение k-го частотного интервала;
2
1
Δ=(ω-ω)/2;
1
2
ω, ω - левая и правая границы спектра широкополосного сигнала.
В случае кусочно-линейной аппроксимации выражение (4) примет вид
Число частот K, для которых оптимально рассчитывается пеленгационный рельеф, зависит от требуемой точности восстановления спектра широкополосного сигнала (фиг. 7-9). При этом метод, на основе которого формируется пеленгационный рельеф, играет роль только на первом этапе, когда пеленгуются составляющие широкополосных сигналов.
Приведенные соотношения описывают общий случай, когда АР формирует ПР для всех сигналов, приходящих с различных направлений, которые охватывает сканирующий вектор, и попадающих в рабочий диапазон частот АР.
k
i
i
Таким образом применение в качестве элементов антенной решетки излучателей, позволяющих принимать сигналы в широкой полосе частот, разбиение рабочего диапазона частот каждого излучателя на K одинаковых частотных интервалов, определение в каждом из K частотных интервалов частоты ω, для которой оптимально формируется пеленгационный рельеф и определяют углы θ и ϕ каждого луча принятого многолучевого широкополосного сигнала по максимумам пеленгационного рельефа, прием с этих направлений и на заданных частотах многолучевых широкополосных сигналов, аппроксимация параметров сигналов различными аппроксимирующими функциями для остальных частот широкополосных сигналов позволило достичь технического результата, заключающегося в возможности пеленгования широкополосных источников радиоизлучения, угловое расстояние между которыми меньше предела Релея.
Литература
1. Справочник по радиолокации. Под ред. М. Сколника. Пер. с англ. - М., «Сов. радио», 1978. Т. 1, с. 17.
2. Патент RU №2392634, 2010 г.
3. Патент US №6567034, 2003 г.
4. Патент RU №2380719, 2010 г.
5. Патент RU №2192651, 2002 г.
6. Кейпон Дж. Пространственно-временной спектральный анализ с высоким разрешением // ТИИЭР, 1969. Т. 57, №8. С. 59-69.