RU2254592C1 - Mode of location target(variants) - Google Patents

Mode of location target(variants) Download PDF

Info

Publication number
RU2254592C1
RU2254592C1 RU2003134395/09A RU2003134395A RU2254592C1 RU 2254592 C1 RU2254592 C1 RU 2254592C1 RU 2003134395/09 A RU2003134395/09 A RU 2003134395/09A RU 2003134395 A RU2003134395 A RU 2003134395A RU 2254592 C1 RU2254592 C1 RU 2254592C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
signal
estimate
received
observation channels
delay elements
Prior art date
Application number
RU2003134395/09A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
И.Б. Дунаев (RU)
И.Б. Дунаев
Г.О. Бокк (RU)
Г.О. Бокк
Original Assignee
Дунаев Игорь Борисович
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Дунаев Игорь Борисович filed Critical Дунаев Игорь Борисович
Priority to RU2003134395/09A priority Critical patent/RU2254592C1/en
Priority to PCT/RU2004/000308 priority patent/WO2005052631A1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2254592C1 publication Critical patent/RU2254592C1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S3/00Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic, or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received
    • G01S3/02Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic, or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received using radio waves
    • G01S3/74Multi-channel systems specially adapted for direction-finding, i.e. having a single antenna system capable of giving simultaneous indications of the directions of different signals

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
  • Radar Systems Or Details Thereof (AREA)

Abstract

FIELD: the invention refers to the technique of detection of a target and determination of the direction at a target.
SUBSTANCE: the mode is realized by way of receiving of ultra wideband impulses reflected from the target, of delaying them on various time multitude in various channels of surveillance and multi channel processing. In the first variant of the current mode variation of the form of receiving impulses on a great number of discrete time positions are carried out by way of averaging-out by channels of surveillance at known direction of incoming reflected impulses in a beforehand designed control sector and then found valuation of the form of receiving impulse is used as a base signal in multi channel correlation processing. In the second variant valuation of magnitude of receiving impulse is formed in concrete moment of time for each base direction in beforehand given angular sector of control, valuation of the form of the receiving impulse is found according to formed valuations of magnitude 0f the receiving signal for various discrete moments of time; found valuation of receiving impulse is used as a base signal in multi channel correlation processing; out of multitude of results of correlation processing correlation maximum is chosen. This maximum is used as preliminary threshold decision statistics in the procedure of detection of the target; the direction of incoming reflected impulses with the help of interpolating valuation of the position of the correlation maximum in the environs of that base direction for which the largest result of multi channel correlation processing.
EFFECT: the use of this invention at location of a target with the help of ultra wideband impulses allows to receive signals incoming not only from in advance chosen base directions.
6 cl,9 dwg

Description

Область изобретенияField of Invention

Настоящее изобретение относится к технике обнаружения цели и определения направления на нее. В частности, настоящее изобретение относится к вариантам способа локации цели с помощью сверхширокополосных импульсов, а также к программным продуктам для реализации этих способов.The present invention relates to techniques for detecting a target and determining a direction to it. In particular, the present invention relates to variants of a method for locating a target using ultra-wideband pulses, as well as to software products for implementing these methods.

Существующий уровень техникиThe current level of technology

В последнее время обозначился повышенный интерес к вопросам создания радиолокационных систем, использующих сверхширокополосные сигналы, т.е. сигналы, полоса которых сопоставима с центральной частотой спектра. Актуальным также является создание подобных систем для зондирования земных недр, морских глубин и атмосферы (Вопросы перспективной радиолокации. - М.: Радиотехника, 2003 (Серия Радиолокация). - С.22-25). Объясняется это физической природой сверхширокополосных сигналов, порождающей ряд полезных свойств. Например, при отражении сверхширокополосные сигналы становятся носителями достаточно большого объема информации о самих зондируемых объектах (Борзов А.Б. Анализ вкладов отдельных элементов объекта сложной формы в общем поле рассеяния электромагнитных волн на объектах сложной формы. - Электромагнитные волны и электронные системы, 1998, №10, с.38-54). Сверхширокополосные сигналы практически нельзя подавить при прохождении сквозь среду с изменяющимися свойствами проницаемости. В радиолокации их применение открывает возможности дистанционного распознавания целей и преодоления антирадарной технологии "Стелс".Recently, there has been an increased interest in the creation of radar systems using ultra-wideband signals, i.e. signals whose band is comparable to the center frequency of the spectrum. It is also relevant to create such systems for sensing the bowels of the earth, sea depths and atmosphere (Issues of promising radar. - M .: Radio Engineering, 2003 (Series Radar). - S.22-25). This is explained by the physical nature of ultra-wideband signals, generating a number of useful properties. For example, when reflecting, ultra-wideband signals become carriers of a sufficiently large amount of information about the probed objects themselves (Borzov AB Analysis of the contributions of individual elements of an object of complex shape to the general scattering field of electromagnetic waves on objects of complex shape. - Electromagnetic waves and electronic systems, 1998, no. 10, p. 38-54). Ultra-wideband signals can hardly be suppressed when passing through a medium with changing permeability properties. In radar, their use opens up the possibility of remote target recognition and overcoming the Stealth anti-radar technology.

Однако одновременно с преимуществами природа сверхширокополосных сигналов порождает и трудности, препятствующие использованию известных технических решений для реализации сверхширокополосных радиолокационных систем. Одну из ключевых проблем составляет задача организации оптимального или субоптимального приема при непредсказуемых искажениях сигнала. Действительно, в реальных условиях отражательные характеристики объектов, а зачастую и свойства среды распространения, не могут быть определены с такой степенью точности, чтобы хотя бы приблизительно предсказывать те искажения, которые возникнут в отраженных сверхширокополосных сигналах, наблюдаемых на приеме. Традиционная же радиолокационная техника предполагает полную априорную информацию о форме отраженных сигналов и, соответственно, организацию приема с помощью согласованных фильтров. Ясно, что эффективный прием сверхширокополосных сигналов возможен только при переходе от традиционных методов к адаптивной обработке.However, along with the advantages, the nature of ultra-wideband signals also creates difficulties that impede the use of well-known technical solutions for the implementation of ultra-wideband radar systems. One of the key problems is the task of organizing optimal or suboptimal reception with unpredictable signal distortions. Indeed, in real conditions, the reflective characteristics of objects, and often the properties of the propagation medium, cannot be determined with such a degree of accuracy that at least approximately predict the distortions that occur in the reflected ultra-wideband signals observed at reception. Traditional radar technology assumes complete a priori information about the shape of the reflected signals and, accordingly, the organization of reception using matched filters. It is clear that efficient reception of ultra-wideband signals is possible only in the transition from traditional methods to adaptive processing.

Известен способ локации с помощью сверхширокополосных импульсов, излучаемых и принимаемых антенной решеткой, в которой осуществляется разделение всей полосы сверхширокополосных импульсов на отдельные частотные поддиапазоны для удобства формирования угловых отклонений луча с помощью фазосдвигателей (заявка ЕПВ №0618641, публ.05.10.1994). Недостатком данного способа является отсутствие учета возможного искажения формы отраженных сигналов.A known location method using ultra-wideband pulses emitted and received by the antenna array, in which the entire strip of ultra-wideband pulses is divided into separate frequency subbands for the convenience of generating angular deviations of the beam using phase shifters (EPO application No. 0618641, publ. 05.10.1994). The disadvantage of this method is the lack of consideration of possible distortion of the shape of the reflected signals.

Наиболее близким аналогом настоящего изобретения является способ локации цели, заключающийся в том, что: излучают сверхширокополосные импульсы решеткой антенных элементов; при приеме отраженных импульсов в заранее заданном угловом секторе контроля задерживают сигнал, принятый каждым антенным элементом упомянутой решетки антенных элементов, с помощью последовательно соединенных элементов задержки в каждом из множества используемых каналов наблюдения; осуществляют процедуру обнаружения цели путем использовании многоканальной корреляционной обработки сигналов на выходах упомянутых элементов задержки в разных упомянутых каналах наблюдения (патент США №6515622, публ. 04.02.2003). Недостатком данного способа является отсутствие указания того, как следует формировать опорные сигналы и как нужно принимать сигналы, приходящие с направлений, отличающихся от выбранных опорных направлений.The closest analogue of the present invention is a method for location of the target, which consists in the fact that: emit ultra-wideband pulses by the array of antenna elements; when receiving reflected pulses in a predetermined angular monitoring sector, the signal received by each antenna element of said array of antenna elements is delayed with the help of series-connected delay elements in each of the plurality of observation channels used; carry out the target detection procedure by using multichannel correlation signal processing at the outputs of the mentioned delay elements in the various mentioned observation channels (US patent No. 6515622, publ. 04.02.2003). The disadvantage of this method is the lack of indication of how to form the reference signals and how to receive signals coming from directions that differ from the selected reference directions.

Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION

Цель настоящего изобретения состоит в разработке такого способа локации цели, который был бы свободен от указанных недостатков.The purpose of the present invention is to develop such a method for locating a target that would be free from these drawbacks.

Для решения этой задачи и достижения указанного технического результата в способе локации цели, заключающемся в том, что: излучают сверхширокополосные импульсы решеткой антенных элементов; при приеме отраженных импульсов в заранее заданном угловом секторе контроля задерживают сигнал, принятый каждым антенным элементом решетки антенных элементов, с помощью последовательно соединенных элементов задержки в каждом из множества используемых каналов наблюдения; осуществляют процедуру обнаружения цели путем использования многоканальной корреляционной обработки сигналов на выходах элементов задержки в разных каналах наблюдения, - в первом варианте способа, когда известно направление прихода отраженных импульсов, в соответствии с настоящим изобретением при многоканальной корреляционной обработке сигналов: выполняют оценку формы принимаемого импульса на множестве дискретных временных позиций путем усреднения по каналам наблюдения сигналов на подмножествах выходов тех из элементов задержки, которые в разных каналах наблюдения соответствуют одной и той же дискретной временной позиции при известном направлении прихода отраженных импульсов в заранее заданном угловом секторе контроля; далее используют найденную оценку формы принимаемого импульса в качестве опорного сигнала в многоканальной корреляционной обработке.To solve this problem and achieve the specified technical result in the method of target location, which consists in the following: emit ultra-wideband pulses by an array of antenna elements; when receiving reflected pulses in a predetermined angular control sector, the signal received by each antenna element of the array of antenna elements is delayed using series-connected delay elements in each of the plurality of observation channels used; carry out the target detection procedure by using multi-channel correlation signal processing at the outputs of the delay elements in different observation channels, in the first embodiment of the method, when the direction of arrival of the reflected pulses is known, in accordance with the present invention with multi-channel correlation signal processing: the shape of the received pulse is estimated on the set discrete time positions by averaging over the observation channels of the signals on the subsets of the outputs of those of the delay elements which in different observation channels correspond to the same discrete time position with a known direction of arrival of reflected pulses in a predetermined angular control sector; then use the found estimate of the shape of the received pulse as a reference signal in multi-channel correlation processing.

Во втором варианте способа, когда направление прихода отраженных импульсов неизвестно, в соответствии с настоящим изобретением при многоканальной корреляционной обработке сигналов: формируют отдельные оценки величины принимаемого импульса на множестве дискретных временных позиций для каждого опорного направления из заранее выбранного конечного множества опорных направлений в угловом секторе контроля, причем оценку величины принимаемого импульса в дискретные моменты для каждого из опорных направлений формируют путем усреднения по каналам наблюдения сигналов на подмножествах отсчетов, которые для заданного опорного направления соответствуют одной и той же дискретной временной позиции; находят оценку формы принимаемого импульса по сформированным оценкам величины принимаемого импульса в различные дискретные моменты времени; используют найденную оценку формы принимаемого импульса в качестве опорного сигнала в многоканальной корреляционной обработке; на множестве результатов многоканальной корреляционной обработки выбирают корреляционный максимум, который используют в качестве предпороговой решающей статистики в процедуре обнаружения цели; оценивают направление прихода отраженных импульсов в заранее заданном угловом секторе контроля с помощью интерполяционной оценки положения корреляционного максимума в окрестности того опорного направления из выбранного множества опорных направлений, для которого получен наибольший результат многоканальной корреляционной обработки.In the second variant of the method, when the direction of arrival of the reflected pulses is unknown, in accordance with the present invention when multi-channel correlation signal processing: form separate estimates of the magnitude of the received pulse at a set of discrete time positions for each reference direction from a pre-selected finite set of reference directions in the angular control sector, moreover, an estimate of the magnitude of the received pulse at discrete moments for each of the reference directions is formed by averaging n about channels for observing signals on subsets of samples that for a given reference direction correspond to the same discrete time position; find an estimate of the shape of the received pulse according to the formed estimates of the magnitude of the received pulse at various discrete time instants; using the found estimate of the shape of the received pulse as a reference signal in multi-channel correlation processing; on the set of results of multichannel correlation processing, a correlation maximum is selected, which is used as a threshold threshold statistics in the target detection procedure; estimate the direction of arrival of the reflected pulses in a predetermined angular control sector using an interpolation estimate of the position of the correlation maximum in the vicinity of that reference direction from the selected set of reference directions for which the greatest result of multichannel correlation processing is obtained.

При этом формирование множества отсчетов в каждом из каналов наблюдения можно осуществлять с помощью линейной интерполяции за счет того, что находят веса линейных комбинаций сигналов на выходах элементов задержки в разных каналах наблюдения и используют эти найденные веса линейных комбинаций сигналов для формирования условных оценок формы принимаемых импульсов на заданном множестве дискретных временных позиций, согласующихся с одним из выбранного множества опорных направлений.Moreover, the formation of multiple samples in each of the observation channels can be carried out using linear interpolation due to the fact that they find the weights of linear signal combinations at the outputs of the delay elements in different observation channels and use these found weights of linear signal combinations to form conditional estimates of the shape of the received pulses on a given set of discrete time positions consistent with one of the selected set of reference directions.

Эта же задача с достижением того же технического результата решается посредством программных продуктов, каждый из которых при исполнении на компьютере обеспечивает реализацию упомянутой многоканальной корреляционной обработки сигналов в одном из вышеуказанных способов.The same task with the achievement of the same technical result is solved by means of software products, each of which, when executed on a computer, provides the implementation of the aforementioned multi-channel correlation signal processing in one of the above methods.

В существующем уровне техники не выявлено источников информации, которые содержали бы сведения об объектах того же назначения с указанной совокупностью отличительных признаков, что позволяет считать способ по настоящему изобретению новым и имеющим изобретательский уровень.In the current level of technology, no sources of information have been identified that would contain information about objects of the same purpose with the indicated set of distinctive features, which allows us to consider the method of the present invention new and having an inventive step.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

Настоящее изобретение поясняется чертежами, на которых одинаковые элементы на всех чертежах обозначены одинаковыми ссылочными позициями, и где:The present invention is illustrated by drawings, in which the same elements in all the drawings are denoted by the same reference position, and where:

Фиг.1 представляет блок-схему общепринятого устройства для формирования зондирующих сверхширокополосных импульсов и приема отраженных сигналов;Figure 1 is a block diagram of a conventional device for generating probing ultra-wideband pulses and receiving reflected signals;

Фиг.2 иллюстрирует форму зондирующего импульса, формируемого устройством по фиг.1;Figure 2 illustrates the shape of the probe pulse generated by the device of figure 1;

Фиг.3 иллюстрирует различные виды отражений зондирующего импульса по фиг.2 от реального объекта;Figure 3 illustrates various types of reflections of the probe pulse of figure 2 from a real object;

Фиг.4 представляет блок-схему устройства для субоптимального обнаружения отраженных сверхширокополосных сигналов, приходящих с известных направлений, для реализации способа по первому варианту настоящего изобретения;Figure 4 is a block diagram of a device for suboptimal detection of reflected ultra-wideband signals coming from known directions, for implementing the method according to the first embodiment of the present invention;

Фиг.5 иллюстрирует случай приема отраженного сверхширокополосного сигнала от объекта, направление на который заранее неизвестно;Figure 5 illustrates the case of receiving a reflected ultra-wideband signal from an object, the direction of which is not known in advance;

Фиг.6 поясняет осуществление второго варианта способа по настоящему изобретению;6 illustrates the implementation of the second variant of the method according to the present invention;

Фиг.7 представляет блок-схему устройства для реализации способа по второму варианту настоящего изобретения.7 is a block diagram of a device for implementing the method according to the second embodiment of the present invention.

Фиг.8а представляет блок-схему устройства по фиг.7 в случае применения интерполяции общего вида для восстановления отсчетов принимаемого импульса в промежуточных позициях.Fig. 8a is a block diagram of the device of Fig. 7 in the case of applying general interpolation to restore the samples of the received pulse in intermediate positions.

Фиг.8б представляет блок-схему устройства по фиг.7 в случае применения линейной интерполяции для восстановления отсчетов принимаемого импульса в промежуточных позициях.Fig. 8b is a block diagram of the device of Fig. 7 in the case of linear interpolation to restore the samples of the received pulse in intermediate positions.

Подробное описание предпочтительных вариантов выполненияDetailed Description of Preferred Embodiments

Обычно сверхширокополосная локационная система реализуется с помощью многоэлементной антенной решетки, блок-схема которой изображена на фиг.1. Эта многоэлементная антенная решетка, в данном случае, выбрана линейной (одномерной) для простоты пояснений. Она содержит каналы 1 наблюдения с первого (1.1) по М-й (1.М). Каждый канал 1 наблюдения содержит соединенные последовательно антенный элемент 2, блок 3 управляемой задержки, переключатель 4 режима работы (переключатель прием-передача), фильтр 5 нижних частот и линию 6 задержки, которая состоит из L одинаковых элементов 7 задержки, каждый с временем Т задержки, и имеет L+1 отводов. Блоки 3 управляемой задержки используются для установки главного направления зондирования как при передаче, так и при приеме. Фильтры 5 нижних частот предназначены для селекции отраженных сигналов в частотном диапазоне. Линии 6 задержки используются, чтобы выполнить оптимальную обработку наблюдений для обнаружения и оценки направления прихода отраженного импульса.Typically, an ultra-wideband location system is implemented using a multi-element antenna array, a block diagram of which is shown in figure 1. This multi-element antenna array, in this case, is selected linear (one-dimensional) for ease of explanation. It contains observation channels 1 from the first (1.1) through the Mth (1.M). Each observation channel 1 contains an antenna element 2 connected in series, a controlled delay unit 3, an operation mode switch 4 (receive-transmit switch), a low-pass filter 5 and a delay line 6, which consists of L identical delay elements 7, each with a delay time T , and has L + 1 taps. Blocks 3 controlled delay are used to set the main direction of sounding both in transmission and in reception. Low-pass filters 5 are designed for selection of reflected signals in the frequency range. Delay lines 6 are used to perform optimal observation processing to detect and evaluate the direction of arrival of the reflected pulse.

В данном изобретении не рассматриваются вопросы формирования и излучения мощных сверхширокополосных импульсов (рассмотренные, например, в работе Ширман Я.Д. и др. Методы радиолокационного распознавания и их моделирование // Зарубежная радиоэлектроника. Успехи современной радиоэлектроники. 1996, №11, стр.3). Реально форма зондирующих импульсов оказывается близкой либо к колокольной, как показано на фиг.2, либо типа косинуса на пьедестале. Отмеченные "тонкие" различия формы излучаемых сверхширокополосных импульсов могут лишь в некоторой степени отразиться на результатах распознавания удаленных целей, но никак не на результатах измерения радиолокационных параметров (дальности до цели и направления на цель). Действительно, при отражении и при прохождении сквозь среду сверхширокополосные импульсы искажаются столь радикально, что отмеченные выше различия в исходной форме вполне можно считать несущественными. Единственно доступное ограничение, на которое можно ориентироваться при описании отраженных импульсов в условиях работы с нерелятивистскими объектами, состоит в том, что их спектр находится в пределах исходного частотного диапазона зондирования (0-1 ГГц), что соответствует длительности импульса, представленного на фиг.2, равной Δtи≈1 нс.This invention does not address the issues of the formation and emission of high-power ultra-wideband pulses (considered, for example, in the work of Shirman Y.D. et al. Radar recognition methods and their modeling // Foreign Radio Electronics. Successes in Modern Radio Electronics. 1996, No. 11, p. 3 ) Actually, the shape of the probe pulses turns out to be close to either bell-shaped, as shown in Fig. 2, or the type of cosine on the pedestal. The noted "subtle" differences in the shape of the emitted ultra-wideband pulses can only slightly affect the results of recognition of distant targets, but in no way the results of measuring radar parameters (range to the target and direction to the target). Indeed, upon reflection and when passing through a medium, ultra-wideband pulses are distorted so radically that the differences noted above in the initial form can be completely considered insignificant. The only available restriction that can be guided by when describing reflected pulses under conditions of working with nonrelativistic objects is that their spectrum is within the original sounding frequency range (0-1 GHz), which corresponds to the pulse duration shown in Fig. 2 equal to Δt and ≈1 ns.

Из-за относительно малой длительности протяженность зондирующих импульсов в пространстве обычно оказывается значительно меньше размеров реальных объектов. Как следствие, при отражении возникает целая группа импульсов с псевдослучайным распределением задержек, амплитуд и с различной формой. На фиг.3 схематично представлен процесс отражения одного зондирующего импульса от объекта с неоднородной поверхностью. Чтобы обеспечить эффективное суммирование энергии отраженных сигналов в адаптивной приемной системе, построенной на базе схемы по фиг.1, длительность линий задержек (L×7) следует выбирать несколько больше (примерно в 2-2,5 раза) максимально допустимого "растяжения" отраженных импульсов во времени.Due to the relatively short duration, the length of the probe pulses in space is usually much smaller than the size of real objects. As a result, a whole group of pulses with a pseudo-random distribution of delays, amplitudes and with various shapes arises during reflection. Figure 3 schematically shows the process of reflection of one probe pulse from an object with an inhomogeneous surface. In order to ensure effective summation of the energy of the reflected signals in an adaptive receiving system built on the basis of the circuit of FIG. 1, the duration of the delay lines (L × 7) should be chosen slightly more (about 2-2.5 times) the maximum allowable “stretching” of the reflected pulses in time.

На фиг.1 осуществляют следующие операции:Figure 1 carry out the following operations:

излучают сверхширокополосные импульсы антенными элементами 2 (переключатель 4 режима работы в положении «передача», т.е. вниз на фиг.1);ultra-wideband pulses are emitted by the antenna elements 2 (switch 4 of the operating mode in the "transmission" position, i.e. down in figure 1);

при приеме отраженных импульсов (переключатель 4 режима работы в положении «прием», т.е. вверх на фиг.1) задерживают сигнал, принятый каждым антенным элементом 2, с помощью последовательно соединенных элементов 7 задержки, образующих линию 6 задержки в каждом канале 1 наблюдения;when receiving reflected pulses (switch 4 of the operating mode in the “receiving” position, i.e., up in FIG. 1), the signal received by each antenna element 2 is delayed using the delay elements 7 connected in series, forming a delay line 6 in each channel 1 observations;

осуществляют процедуру обнаружения цели путем использовании многоканальной корреляционной обработки сигналов на выходах элементов 7 задержки в разных линиях 6 задержки.carry out the target detection procedure by using multi-channel correlation signal processing at the outputs of the delay elements 7 in different delay lines 6.

Эти операции выполняются как в способе по настоящему изобретению, так и в наиболее близком аналоге.These operations are performed both in the method of the present invention and in the closest analogue.

Рассмотрим теперь те операции, которые отличают первый вариант способа по настоящему изобретению, т.е. случай обнаружения цели при точно известном направлении прихода отраженных импульсов.Let us now consider those operations that distinguish the first variant of the method according to the present invention, i.e. the case of target detection with a precisely known direction of arrival of reflected pulses.

Обозначим выборку отсчетов, принятую многоканальной системой, через

Figure 00000002
. В силу того, что направление на объект установлено точно, каждая отдельная последовательность
Figure 00000003
при наличии отраженного импульса содержит аддитивную смесь одного и того же сигнала и шума. При отсутствии отраженного импульса последовательности
Figure 00000004
содержат независимые шумовые выборки. В математической форме это может быть записано так
Figure 00000005
при справедливости гипотезы Н0 (сигнал отсутствует),We denote the sample of samples adopted by the multichannel system by
Figure 00000002
. Due to the fact that the direction to the object is set accurately, each individual sequence
Figure 00000003
in the presence of a reflected pulse, it contains an additive mixture of the same signal and noise. In the absence of a reflected pulse sequence
Figure 00000004
contain independent noise samples. In mathematical form, it can be written like this
Figure 00000005
with the validity of the hypothesis H 0 (no signal),

Figure 00000006
при справедливости гипотезы Н1, (сигнал присутствует),
Figure 00000006
if the hypothesis H 1 is true, (a signal is present),

где S(t) - отраженный сверхширокополосный сигнал неизвестной формы, t0 - момент времени, в который сформирована выборка наблюдений,

Figure 00000007
- выборка шумовых компонент, распределенных по нормальному закону с нулевым средним и дисперсией σ2, наблюдаемых на выходах линий 6 задержки.where S (t) is the reflected ultra-wideband signal of unknown shape, t 0 is the time instant at which the sample of observations is formed,
Figure 00000007
- a sample of noise components distributed according to the normal law with a zero mean and variance σ 2 observed at the outputs of the delay lines 6.

Остановимся подробнее на статистических характеристиках шума, поскольку именно они является определяющими при решении задачи в условиях априорной неопределенности. Во-первых, в силу автономной работы каналов 1 наблюдения приемной системы шумовые составляющие, присутствующие в них, будут статистически независимыми. Во-вторых, при технически оптимальной организации линий 6 задержки с отводами через интервалы, определяемые теоремой Котельникова, шумовые компоненты отсчетов, присутствующих в одном канале 1 наблюдения на различных отводах, также будут статистически независимыми.Let us dwell in more detail on the statistical characteristics of noise, since it is they that are decisive in solving the problem under conditions of a priori uncertainty. Firstly, due to the autonomous operation of the observation channel 1 of the receiving system, the noise components present in them will be statistically independent. Secondly, with the technically optimal organization of delay lines 6 with taps at intervals determined by Kotelnikov's theorem, the noise components of the samples present in one observation channel 1 at different taps will also be statistically independent.

В результате при наличии отраженного сигнала условная плотность вероятности наблюдения выборки

Figure 00000008
, присутствующей на срезе отводов с одинаковыми индексами задержек i (одинаковые задержки в каналах 1 на i Т), будет следующей:As a result, in the presence of a reflected signal, the conditional probability density of observation of the sample
Figure 00000008
present on the slice of taps with the same delay indices i (the same delays in channels 1 to i T) will be as follows:

Figure 00000009
Figure 00000009

Из-за того, что относительно сигнальных компонент

Figure 00000010
нет никакой априорной информации, их оценку при каждом индексе задержки i можно сформировать только на основе критерия максимального правдоподобияDue to the fact that relative to the signal components
Figure 00000010
there is no a priori information, their estimation at each delay index i can be formed only on the basis of the maximum likelihood criterion

Figure 00000011
Figure 00000011

Решение (2) можно найти дифференцированием.Solution (2) can be found by differentiation.

Figure 00000012
Figure 00000012

В процессе работы системы зондирования со сверхширокополосными сигналами по фиг.1 происходит периодическое формирование и обработка выборок In the process of operation of the sensing system with ultra-wideband signals in figure 1, periodic formation and processing of samples

Figure 00000013
.
Figure 00000013
.

Интервал повторения формирования выборок не должен превосходить

Figure 00000014
где m - некоторое целое положительное число, чтобы гарантировать при обработке полное использование энергии отраженных импульсов, имеющих длительность не более
Figure 00000015
Например, если взять максимальную задержку в линиях (LT) с двойным запасом относительно допустимых длительностей отраженных импульсов, то верхней границей необходимого периода повторения будет
Figure 00000016
что совпадает с верхней границей длительности принимаемых сверхширокополосных импульсов.The sampling recurrence interval shall not exceed
Figure 00000014
where m is some positive integer in order to guarantee during processing the full use of the energy of reflected pulses having a duration of not more than
Figure 00000015
For example, if we take the maximum delay in lines (LT) with a double margin relative to the allowable durations of reflected pulses, then the upper limit of the required repetition period will be
Figure 00000016
which coincides with the upper limit of the duration of the received ultra-wideband pulses.

Соотношение (3) определяет оценку максимального правдоподобия принимаемого сигнала для каждой периодически формируемой выборки

Figure 00000017
.Relation (3) determines the estimate of the maximum likelihood of a received signal for each periodically generated sample
Figure 00000017
.

В предположении того, что отраженный сигнал имеет форму, точно совпадающую с (3), можно организовать субоптимальную процедуру обнаружения. Действительно, если форма S{t) принимаемого сигнала известна, то оптимальный в смысле критерия Неймана-Пирсона обнаружитель должен иметь вид:Assuming that the reflected signal has a shape exactly matching (3), a suboptimal detection procedure can be organized. Indeed, if the form S (t) of the received signal is known, then the detector, optimal in the sense of the Neumann-Pearson criterion, should have the form:

Figure 00000018
Figure 00000018

где Where

Figure 00000019
Figure 00000019

- логарифм отношения правдоподобия, вычисленный с точностью до множителей, не зависящих от наблюдений, П - порог, устанавливаемый по уровню шумов и обеспечивающий заданную вероятность ложного обнаружения.is the logarithm of the likelihood ratio calculated up to factors independent of the observations, P is the threshold set by the noise level and providing a given probability of false detection.

Подставляя в (5) оценку максимального правдоподобия (3), получаем искомое правило обнаружения:Substituting the maximum likelihood estimate (3) in (5), we obtain the desired detection rule:

Figure 00000020
Figure 00000020

При превышении порога П должно выноситься решение о наличии сигнала. Этому правилу обнаружения отраженных сверхширокополосных сигналов, приходящих с известного направления, соответствует система, блок-схема антенной решетки которой приведена на фиг.4. По сравнению со схемой по фиг.1 в данной системе добавлены сумматоры 8 для суммирования сигналов с одноименных отводов линий 7 задержки в разных каналах 1 наблюдения, блоки 9 возведения в квадрат для получения второй степени сигналов, просуммированных на каждом сумматоре 8, общий сумматор 10 для суммирования полученных в блоках 9 значений и решающий блок 11 для сравнения итоговой суммы с общего сумматора 10 с порогом П и принятия соответствующего решения о наличии или отсутствии отраженного сигнала с данного направления.If threshold P is exceeded, a decision should be made on the presence of a signal. This rule for the detection of reflected ultrawideband signals arriving from a known direction corresponds to a system whose block diagram of the antenna array is shown in FIG. 4. Compared with the circuit of FIG. 1, adders 8 are added to this system for summing signals from the same taps of delay lines 7 in different observation channels 1, squaring units 9 to obtain the second degree of signals summed on each adder 8, a common adder 10 for summing the values obtained in blocks 9 and a decision block 11 for comparing the total amount from the total adder 10 with a threshold P and making an appropriate decision on the presence or absence of a reflected signal from this direction.

В этом случае, как легко убедиться, выполняют оценку формы принимаемого импульса на множестве дискретных временных позиций путем усреднения по каналам 1 наблюдения сигналов на подмножествах выходов тех элементов 7 задержки, которые в разных каналах 1 наблюдения соответствуют одной и той же дискретной временной позиции при известном направлении прихода отраженных импульсов; и используют найденную оценку формы принимаемого импульса в качестве опорного сигнала в упомянутой многоканальной корреляционной обработке.In this case, it is easy to verify that the shape of the received pulse is estimated at a set of discrete time positions by averaging over the channels 1 for observing the signals on the subsets of the outputs of those delay elements 7 that correspond to the same discrete time position in different observation channels 1 with a known direction the arrival of reflected pulses; and using the found estimate of the shape of the received pulse as a reference signal in said multi-channel correlation processing.

Правило обнаружения (6) и вытекающая из него структура обнаружителя на фиг.4 получены в предположении совпадения формы полезных составляющих в каналах 1 наблюдения. Это возможно только при установке задержек

Figure 00000021
в точном соответствии с направлением прихода отраженных импульсов (т.е. с направлением на контролируемый объект). Однако на практике такая ситуация встречается достаточно редко. Наиболее характерными являются ситуации со случайным расположением контролируемых объектов в пределах некоторого углового сектора. При этом возникает задача обнаружения отраженных сигналов с одновременной оценкой направления их прихода. Далее ограничимся рассмотрением случаев при расположении зондируемых объектов на плоскости. Пространственная задача принципиально не отличается от задачи на плоскости, только требует более сложной модели для описания преобразований сигналов в антенной решетке. Кроме того, для упрощения выводов будем ориентироваться на линейную эквидистантную антенную решетку с разнесением чувствительных элементов на расстояние d.The detection rule (6) and the resulting detector structure in Fig. 4 are obtained under the assumption that the shape of the useful components in the observation channels 1 coincides. This is only possible when setting delays.
Figure 00000021
in exact accordance with the direction of arrival of the reflected pulses (i.e., with the direction to the controlled object). However, in practice this situation is quite rare. The most characteristic are situations with a random arrangement of controlled objects within a certain angular sector. This raises the problem of detecting reflected signals with a simultaneous assessment of the direction of their arrival. Further, we restrict ourselves to the consideration of cases when the probed objects are located on a plane. The spatial problem does not fundamentally differ from the problem on the plane, it only requires a more complex model to describe the signal transformations in the antenna array. In addition, to simplify the conclusions, we will focus on a linear equidistant antenna array with a spacing of the sensitive elements at a distance d.

На фиг.5 показана ситуация приема отраженного сверхширокополосного сигнала от объекта, находящегося в некотором неизвестном направлении, характеризуемом углом α, отсчитанным от направления излучения зондирующего импульса. На фиг.5 каждый канал 1 наблюдения соединен с устройством 12 обнаружения и оценки направления прихода отраженных импульсов, структура которого будет получена в результате нижеследующего анализа.Figure 5 shows the situation of reception of the reflected ultra-wideband signal from an object located in some unknown direction, characterized by an angle α counted from the direction of radiation of the probe pulse. In Fig. 5, each observation channel 1 is connected to a device 12 for detecting and estimating the direction of arrival of reflected pulses, the structure of which will be obtained as a result of the following analysis.

Поскольку технически реализовать прием с континуума направлений нельзя, единственно возможным остается использование конечного набора контролируемых направлений с

Figure 00000022
, где k0 - угол, задающий направление излучения зондирующих импульсов, отсчитываемый от нормали к антенной решетке. В случае линейной эквидистантной антенной решетки с разнесением элементов 2 на расстояние d каждому из таких направлений соответствует собственное множество
Figure 00000023
компенсирующих задержек в каналах 1 наблюдений. То есть, к задержкам, согласованным с выбранным направлением зондирования α0, требуются дополнительные поправкиSince it is technically impossible to implement the reception from the continuum of directions, the only possible way is to use a finite set of controlled directions with
Figure 00000022
, where k 0 is the angle defining the direction of radiation of the probe pulses counted from the normal to the antenna array. In the case of a linear equidistant antenna array with elements 2 spaced apart by a distance d, each of these directions corresponds to its own set
Figure 00000023
compensating delays in channels 1 observations. That is, to the delays consistent with the chosen sounding direction α 0 , additional corrections are required

Figure 00000024
Figure 00000024

Дополнительные задержки (7) могут быть реализованы либо с помощью специальных блоков, либо на основе соответствующих линейных преобразований отсчетов в каналах 1 наблюдения. Второй из указанных методов не требует использования индивидуального набора линий задержек для каждого контролируемого направления. Но первый метод позволяет в более простой и наглядной форме выполнить синтез искомого совместного алгоритма. Поэтому далее будем ориентироваться именно на первый метод. Конечные же результаты будут одинаковыми в обоих случаях.Additional delays (7) can be realized either using special blocks, or based on the corresponding linear transformations of the samples in the observation channels 1. The second of these methods does not require the use of an individual set of delay lines for each controlled direction. But the first method allows us to synthesize the desired joint algorithm in a simpler and more visual form. Therefore, we will focus on the first method below. The final results will be the same in both cases.

Согласно общим выводам статистической теории обнаружения, которые справедливы и для рассматриваемой задачи, в условиях параметрической априорной неопределенности асимптотически оптимальным является метод корреляционного приема с использованием опорной копии, в которой неизвестные параметры сигнала заменены оценками максимального правдоподобия. В нашем случае неизвестным является параметр α, задающий направление прихода. Для него, на основе соответствующей обработки наблюдений, полученных для множества контрольных направлений,

Figure 00000025
нужно сформировать оценку максимального правдоподобия (ОМП). Поскольку в общем случае истинное направление не будет совпадать ни с одним из контрольных, для расчета потребуются интерполяционные методы. В классической теории оценивания параметров сигналов такая задача хорошо изучена. Общепризнанным является то, что приближенная оценка максимального правдоподобия может быть получена на основе разложения в ряд Тейлора по оцениваемому параметру отношения правдоподобия с точностью до членов второго (или более высокого) порядка. В рассматриваемой задаче воспользоваться указанным приближением возможно, если угловое разнесение контрольных направлений Δα не будет приводить к относительным задержкам на крайних элементах 7 задержки, большим длительности Δtи излучаемого импульса (см. фиг.2). Пояснить сформулированное требование поможет фиг.6, на которой показаны задержанные в каналах 1 наблюдения элементарные отраженные импульсы в случае двух соседних контрольных направлений.According to the general conclusions of the statistical theory of detection, which are also valid for the problem under consideration, under conditions of parametric a priori uncertainty, the method of correlation reception using a reference copy is asymptotically optimal, in which the unknown signal parameters are replaced by maximum likelihood estimates. In our case, the parameter α determining the direction of arrival is unknown. For him, on the basis of the corresponding processing of observations obtained for many control directions,
Figure 00000025
you need to form an estimate of maximum likelihood (WMD). Since in the general case the true direction will not coincide with any of the control ones, interpolation methods will be required for the calculation. In the classical theory of estimating signal parameters, such a problem is well studied. It is generally recognized that an approximate estimate of maximum likelihood can be obtained by expanding into a Taylor series in the estimated parameter of the likelihood ratio up to terms of the second (or higher) order. In the considered problem, it is possible to use this approximation if the angular spacing of the control directions Δα does not lead to relative delays at the extreme delay elements 7, longer than Δt and the emitted pulse (see Fig. 2). Fig. 6, which shows the elementary reflected pulses delayed in the observation channels 1 in the case of two adjacent control directions, will help to clarify the formulated requirement.

Аналитическая формула относительной задержки, возникающей на крайних элементах 7 задержки для соседних контрольных направлений с индексами k и k+1, имеет вид:The analytical formula for the relative delay that occurs at the extreme elements 7 of the delay for adjacent control directions with indices k and k + 1, has the form:

Figure 00000026
Figure 00000026

Как можно видеть из последней формулы, самая большая относительная задержка на крайних элементах 7 задержки возникает в случае зондирования по нормали к антенной решетке α0=0. В этом случаеAs can be seen from the last formula, the largest relative delay at the extreme delay elements 7 occurs in the case of sounding along the normal to the antenna array α 0 = 0. In this case

Figure 00000027
Figure 00000027

Исходя из того, что

Figure 00000028
получаем для шага сетки контрольных направлений следующее условие:Based on the fact that
Figure 00000028
we obtain the following condition for the step of the grid of control directions:

Figure 00000029
Figure 00000029

Принимая во внимание то, что с точки зрения технических требований наилучшим является наибольший шаг сетки контрольных направлений, из (8) находим правило расчета оптимального Δα:Taking into account that, from the point of view of technical requirements, the greatest step in the grid of control directions is the best, from (8) we find the rule for calculating the optimal Δα:

Figure 00000030
Figure 00000030

Использование конечного множества контрольных направлений

Figure 00000031
предполагает, что периодически формируются наборы, состоящие из 2k0+1 выборок
Figure 00000032
Using a finite set of control directions
Figure 00000031
assumes that sets consisting of 2k 0 +1 samples are periodically formed
Figure 00000032

Каждая из выборок в указанном наборе отвечает контрольному направлению с тем же значением индекса k. Более удобно представлять соответствующую выборку наблюдений для каждого контрольного направления в виде матрицы, размером M*(L+1)Each of the samples in the specified set corresponds to the control direction with the same index value k. It is more convenient to present the corresponding sample of observations for each control direction in the form of a matrix of size M * (L + 1)

Figure 00000033
Figure 00000033

Для каждого контрольного направления можно в соответствии с (3) сформировать условную оценку максимального правдоподобия принимаемого сигналаFor each control direction, in accordance with (3), a conditional estimate of the maximum likelihood of the received signal can be generated

Figure 00000034
Figure 00000034

получаемую как результат усреднения наблюдений по столбцам матрицы (10). Поскольку контрольные направления, в общем случае, не совпадают с истинным направлением обратного канала, то и оценки максимального правдоподобия сигналов (11) нельзя считать корректными. Для таких оценок предложено название обобщенных оценок максимального правдоподобия (ООМП) (см. работу Трифонов А.П., Шинаков Ю.С. Совместное различение сигналов и оценка их параметров на фоне помех. - М.: Радио и связь, 1986). Тем не менее, указанными ООМП принимаемых сигналов можно воспользоваться для расчета условных плотностей вероятностей и формирования ОМП направления прихода отраженного сигнала. Согласно принятой модели (1), условная плотность вероятности наблюдения выборки х(αk) для каждого контролируемого направления будетobtained as a result of averaging observations over the columns of matrix (10). Since the control directions, in the general case, do not coincide with the true direction of the return channel, estimates of the maximum likelihood of signals (11) cannot be considered correct. For such estimates, the name of generalized maximum likelihood estimates (OOMP) is proposed (see the work of A. Trifonov, Yu.S. Shinakov. Joint distinguishing of signals and estimation of their parameters against the background of interference. - M .: Radio and communication, 1986). Nevertheless, the indicated OMP of the received signals can be used to calculate the conditional probability densities and the formation of the direction of arrival of the reflected signal by the OMP. According to the adopted model (1), the conditional probability density of observation of the sample x (α k ) for each controlled direction will be

Figure 00000035
Figure 00000035

Подставляя (11) в (12), получаемSubstituting (11) into (12), we obtain

Figure 00000036
Figure 00000036

где

Figure 00000037
Where
Figure 00000037

оценка дисперсии, построенная по выборке, сформированной из i-го столбца матрицы наблюдений Х(αk). Используя (13), (14), после несложных преобразований можно получить интерполяционное соотношение второго порядка для расчета ОМП направления прихода отраженного сигналаvariance estimate based on a sample formed from the ith column of the observation matrix X (α k ). Using (13), (14), after simple transformations, we can obtain a second-order interpolation relation for calculating the OMP of the arrival direction of the reflected signal

Figure 00000038
Figure 00000038

где

Figure 00000039
- оценка контрольного направления, для которого достигается наибольшее значение условной вероятности (13) (грубая оценка направления прихода отраженного сигнала);Where
Figure 00000039
- assessment of the control direction, for which the greatest value of the conditional probability is achieved (13) (a rough estimate of the direction of arrival of the reflected signal);

Figure 00000040
Figure 00000040

- логарифмы условных плотностей вероятности (13), рассчитанные с точностью до компонент, не зависящих от наблюдений;

Figure 00000041
индексы, связанные с контрольными направлениями, соседними с
Figure 00000042
- значения статистик (16), рассчитанные для контрольных направлений
Figure 00000043
.- logarithms of conditional probability densities (13) calculated up to components independent of observations;
Figure 00000041
indices associated with control directions adjacent to
Figure 00000042
- statistics values (16) calculated for control directions
Figure 00000043
.

В позиции оценки максимального правдоподобия направления прихода отраженного сигнала (15) статистика

Figure 00000044
будет иметь минимумIn the position of assessing the maximum likelihood of the direction of arrival of the reflected signal (15), statistics
Figure 00000044
will have a minimum

Figure 00000045
Figure 00000045

Для того, чтобы сформировать предпороговую статистику решающего правила подобную (6), в случае использования ОМП направления прихода отраженного сигнала (15), не обязательно обращаться к расчету

Figure 00000046
через выборки наблюдений
Figure 00000047
. Вместо этого снова можно воспользоваться интерполяционными соотношениями. Указанный подход приводит к следующему соотношению для предпороговой статистики:In order to generate pre-threshold statistics of the decision rule similar to (6), in the case of using the directional direction of arrival of the reflected signal by OMP (15), it is not necessary to refer to the calculation
Figure 00000046
through observation samples
Figure 00000047
. Instead, interpolation relationships can again be used. The indicated approach leads to the following relation for prethreshold statistics:

Figure 00000048
Figure 00000048

условные логарифмы отношений правдоподобия, сформированные в предположении о том, что отраженный сигнал приходит с k-го контрольного направления.conditional logarithms of likelihood relations formed under the assumption that the reflected signal comes from the kth control direction.

В соответствии с (19) асимптотически оптимальное, в смысле критерия Неймана-Пирсона, правило обнаружения отраженного сигнала имеет следующий вид:In accordance with (19), the asymptotically optimal, in the sense of the Neumann-Pearson criterion, rule for detecting the reflected signal has the following form:

Figure 00000049
Figure 00000049

где П - порог принятия решения о наличии сигнала, рассчитываемый из допустимого уровня ложных тревог.where P is the threshold for deciding on the presence of a signal, calculated from the acceptable level of false alarms.

Соотношения (15), (16) и (18)-(20) определяют структуру блоков оценки направления прихода и обнаружителя отраженного сверхширокополосного сигнала в искомом совместном алгоритме. На фиг.7 представлена блок-схема системы обнаружения и определения направления на цель (см. фиг.4) для случая, когда это направление заранее не известно. В этой блок-схеме треугольники обозначают первый - М-й антенные элементы, цепочки прямоугольников представляют линии задержки из первого - L-го элементов задержки, а кружками обозначены весовые элементы, в весе

Figure 00000050
каждого из которых i относится к номеру антенного элемента (i=1,..., M), j относится к отводу от выхода соответствующего элемента задержки (j=0, 1,..., L), к которому подключен вход данного весового элемента, а индексом k отмечен номер опорного направления (k=0, ±1, ±2,..., ±k0). Остальные блоки имеют те же обозначения и выполняют те же функции, что и на фиг.4. Приведенная на фиг.7 блок-схема обеспечивает обнаружение цели с одного из выбранных опорных направлений. Для всех
Figure 00000051
опорных направлений эту блок-схему нужно повторить n раз, чтобы получить как бы n «слоев» изображенной на фиг.7 матрицы.Relations (15), (16) and (18) - (20) determine the structure of the blocks for estimating the direction of arrival and the detector of the reflected ultra-wideband signal in the desired joint algorithm. In Fig.7 presents a block diagram of a system for detecting and determining the direction to the target (see Fig.4) for the case when this direction is not known in advance. In this block diagram, the triangles indicate the first - Mth antenna elements, the chains of rectangles represent the delay lines from the first - Lth delay elements, and the circles indicate the weight elements, in weight
Figure 00000050
each of which i refers to the number of the antenna element (i = 1, ..., M), j refers to the tap from the output of the corresponding delay element (j = 0, 1, ..., L) to which the input of the given weight element, and the index k marks the number of the reference direction (k = 0, ± 1, ± 2, ..., ± k 0 ). The remaining blocks have the same designations and perform the same functions as in figure 4. The block diagram shown in FIG. 7 provides target detection from one of the selected reference directions. For all
Figure 00000051
of reference directions, this flowchart needs to be repeated n times to get as if n "layers" of the matrix depicted in Fig. 7.

При этом во втором варианте способа по настоящему изобретению выполняются следующие операции, отличные от операций наиболее близкого аналога:Moreover, in the second embodiment of the method according to the present invention, the following operations are performed, other than the operations of the closest analogue:

формируют оценку величины принимаемого импульса в конкретный момент времени для каждого опорного направления из заранее выбранного конечного множества опорных направлений в угловом секторе контроля, причем эту оценку величины принимаемого импульса формируют путем суммирования сигналов на множестве отводов, отвечающих выбранному конкретному моменту времени, линий 6 задержек в каждом из каналов 1 наблюдения;form an estimate of the magnitude of the received impulse at a particular point in time for each reference direction from a pre-selected finite set of reference directions in the angular control sector, and this estimate of the magnitude of the received impulse is formed by summing the signals on the set of taps corresponding to the selected specific moment in time, 6 delay lines in each from observation channels 1;

находят оценку формы принимаемого импульса по сформированным оценкам величины принимаемого импульса для различных конкретных моментов времени;find an estimate of the shape of the received pulse from the formed estimates of the magnitude of the received pulse for various specific times;

используют найденную оценку формы принимаемого импульса в качестве опорного сигнала в многоканальной корреляционной обработке;using the found estimate of the shape of the received pulse as a reference signal in multi-channel correlation processing;

на множестве результатов многоканальной корреляционной обработки выбирают корреляционный максимум, который используют в качестве предпороговой решающей статистики в процедуре обнаружения цели;on the set of results of multichannel correlation processing, a correlation maximum is selected, which is used as a threshold threshold statistics in the target detection procedure;

оценивают направление прихода отраженных импульсов в заранее заданном угловом секторе контроля с помощью интерполяционной оценки положения корреляционного максимума в окрестности того опорного направления из выбранного множества опорных направлений, для которого получен наибольший результат многоканальной корреляционной обработки.estimate the direction of arrival of the reflected pulses in a predetermined angular control sector using an interpolation estimate of the position of the correlation maximum in the vicinity of that reference direction from the selected set of reference directions for which the greatest result of multichannel correlation processing is obtained.

Показанный на фиг.7 пример управления опорными направлениями с помощью весовой обработки является общим для второго варианта рассматриваемого способа локации цели. Для упрощения этой блок-схемы можно использовать различные интерполяционные методы, например методы восстановления сигналов в промежуточные моменты времени с помощью квадратичной формулы либо с помощью системы импульсных функций, пропорциональных выражению

Figure 00000052
используемому в теореме отсчетов Котельникова-Найквиста. Наиболее простой является линейная интерполяция. Она относится к большому классу интерполяционных оценок, базирующихся на ограниченном числе опорных точек, связываемых с нужной промежуточной (интерполируемой) позицией. В основе таких методов лежит свойство, заключающееся в том, что при некотором «запасе» по частоте дискретизации (например, для линейной интерполяции указанный «запас» подразумевает превышение граничного значения Котельникова-Найквиста в 2-2,5 раза) можно с большой степенью точности восстановить форму сигнала с помощью линейных комбинаций. В этом случае отпадает необходимость учитывать все сигналы, присутствующие на отводах линий 6 задержки для восстановления состояния в промежуточной позиции, достаточно использовать только опорные точки, совпадающие с границами интервала времени, в который попадает промежуточный момент. На фиг.8 показана блок-схема по фиг.7 для случая линейной интерполяции сигнала в промежуточных позициях для заданного опорного направления. При этом число операций взвешивания, равное в общем случае M(L+1), сократится до 2М. При такой линейной интерполяции находят веса линейных комбинаций сигналов на выходах элементов 7 задержки в разных каналах 1 наблюдения и используют эти найденные веса линейных комбинаций сигналов для формирования условных оценок формы принимаемых импульсов на заданном множестве дискретных временных позиций, согласующихся с одним из выбранного множества опорных направлений.Shown in Fig. 7, an example of controlling support directions using weight processing is common to the second variant of the target location method under consideration. To simplify this flowchart, various interpolation methods can be used, for example, methods for reconstructing signals at intermediate times using a quadratic formula or using a system of impulse functions proportional to the expression
Figure 00000052
used in the Kotelnikov-Nyquist counting theorem. The simplest is linear interpolation. It belongs to a large class of interpolation estimates based on a limited number of control points associated with the desired intermediate (interpolated) position. Such methods are based on the property that with a certain “margin” in sampling frequency (for example, for linear interpolation, the indicated “margin” implies 2–2.5 times exceeding the Kotelnikov – Nyquist boundary value) with a high degree of accuracy restore waveform using linear combinations. In this case, there is no need to take into account all the signals present on the taps of the delay lines 6 to restore the state in the intermediate position, it is enough to use only reference points that coincide with the boundaries of the time interval at which the intermediate moment falls. On Fig shows the block diagram of Fig.7 for the case of linear interpolation of the signal at intermediate positions for a given reference direction. Moreover, the number of weighing operations, which is generally equal to M (L + 1), will be reduced to 2M. With such linear interpolation, weights of linear signal combinations are found at the outputs of delay elements 7 in different observation channels 1 and these found weights of linear signal combinations are used to form conditional estimates of the shape of the received pulses at a given set of discrete time positions consistent with one of the selected set of reference directions.

В отличие от известных методов синтезированный выше совместный алгоритм предназначен для работы в условиях, когда форма принимаемого сигнала и направление его прихода неизвестны.Unlike the known methods, the joint algorithm synthesized above is designed to operate under conditions when the shape of the received signal and the direction of its arrival are unknown.

По этому алгоритму специалист может составить соответствующие программы для компьютерной обработки. Эти программы на машиночитаемых носителях данных, т.е. будучи преобразованы в программные продукты, при исполнении на компьютере будут обеспечивать реализацию соответствующего способа локации цели за счет обработки отраженных импульсов так, как это описано выше.According to this algorithm, a specialist can compile appropriate programs for computer processing. These programs are on computer readable media, i.e. being converted into software products, when executed on a computer, they will ensure the implementation of the corresponding method of target location by processing reflected pulses as described above.

Промышленная применимостьIndustrial applicability

Настоящее изобретение может использоваться в радиолокации, оптической, ультразвуковой и любой иной локации, в которой используется зондирование пространства сверхширокополосными импульсами. В частности, настоящее изобретение может найти применение при обнаружении различных целей, например воздушных или космических, а также в сейсмографии, томографии, при зондировании земных недр, морских глубин и атмосферы.The present invention can be used in radar, optical, ultrasonic and any other location that uses the sounding of space ultra-wideband pulses. In particular, the present invention can find application in the detection of various targets, for example, air or space, as well as in seismography, tomography, when probing the earth's interior, sea depths and atmosphere.

Приведенные примеры реализации способа по настоящему изобретению являются лишь иллюстрациями и не ограничивают объема патентных притязаний, который определяется только прилагаемой формулой изобретения с учетом всех возможных эквивалентов.The examples of the implementation of the method of the present invention are only illustrations and do not limit the scope of patent claims, which is determined only by the attached claims taking into account all possible equivalents.

Claims (6)

1. Способ локации цели, заключающийся в том, что излучают сверхширокополосные импульсы решеткой антенных элементов; при приеме отраженных импульсов в заранее заданном угловом секторе контроля задерживают сигнал, принятый каждым антенным элементом упомянутой решетки антенных элементов, с помощью последовательно соединенных элементов задержки в каждом из множества используемых каналов наблюдения; осуществляют процедуру обнаружения цели путем использования многоканальной корреляционной обработки сигналов на выходах упомянутых элементов задержки в разных упомянутых каналах наблюдения; отличающийся тем, что при упомянутой многоканальной корреляционной обработке сигналов выполняют оценку формы принимаемого импульса на множестве дискретных временных позиций путем усреднения по упомянутым каналам наблюдения для сигналов на подмножествах выходов тех из упомянутых элементов задержки, которые в разных упомянутых каналах наблюдения соответствуют одной и той же дискретной временной позиции при известном направлении прихода отраженных импульсов в упомянутом заранее заданном угловом секторе контроля; используют найденную оценку формы принимаемого импульса в качестве опорного сигнала в упомянутой многоканальной корреляционной обработке.1. The method of location of the target, which consists in the fact that emit ultra-wideband pulses by the array of antenna elements; when receiving reflected pulses in a predetermined angular monitoring sector, the signal received by each antenna element of said array of antenna elements is delayed with the help of series-connected delay elements in each of the plurality of observation channels used; carry out a target detection procedure by using multi-channel correlation signal processing at the outputs of said delay elements in different said observation channels; characterized in that, when said multi-channel correlation processing of signals, the shape of the received pulse is estimated at a plurality of discrete time positions by averaging over said observation channels for signals on subsets of the outputs of those said delay elements that correspond to the same discrete time in different said observation channels position at a known direction of arrival of the reflected pulses in the aforementioned predetermined angular sector of control; using the found estimate of the shape of the received pulse as a reference signal in said multi-channel correlation processing. 2. Способ локации цели, заключающийся в том, что излучают сверхширокополосные импульсы решеткой антенных элементов; при приеме отраженных импульсов в заранее заданном угловом секторе контроля задерживают сигнал, принятый каждым антенным элементом упомянутой решетки антенных элементов, с помощью последовательно соединенных элементов задержки в каждом из множества используемых каналов наблюдения; осуществляют процедуру обнаружения цели путем использования многоканальной корреляционной обработки сигналов на выходах упомянутых элементов задержки в разных упомянутых каналах наблюдения, отличающийся тем, что при упомянутой многоканальной корреляционной обработке сигналов формируют оценку величины принимаемого импульса в конкретный момент времени для каждого опорного направления из заранее выбранного конечного множества опорных направлений в угловом секторе контроля, причем упомянутую оценку величины принимаемого импульса формируют путем усреднения по каналам наблюдения сигнальных отсчетов на подмножествах выходов упомянутых элементов задержки, которые для заданного опорного направления в разных упомянутых каналах наблюдения соответствуют одной и той же дискретной временной позиции; находят оценку формы принимаемого импульса по сформированным оценкам величины принимаемого сигнала для различных дискретных моментов времени; используют найденную оценку формы принимаемого импульса в качестве опорного сигнала в упомянутой многоканальной корреляционной обработке; на множестве результатов упомянутой многоканальной корреляционной обработки выбирают корреляционный максимум, который используют в качестве предпороговой решающей статистики в упомянутой процедуре обнаружения цели; оценивают направление прихода отраженных импульсов в упомянутом заранее заданном угловом секторе контроля с помощью интерполяционной оценки положения упомянутого корреляционного максимума в окрестности того опорного направления из упомянутого выбранного множества опорных направлений, для которого получен наибольший результат упомянутой многоканальной корреляционной обработки.2. The method of location of the target, which consists in the fact that emit ultra-wideband pulses by the array of antenna elements; when receiving reflected pulses in a predetermined angular monitoring sector, the signal received by each antenna element of said array of antenna elements is delayed with the help of series-connected delay elements in each of the plurality of observation channels used; carry out a target detection procedure by using multi-channel correlation signal processing at the outputs of the delay elements in the various mentioned observation channels, characterized in that, when the multi-channel correlation signal processing is mentioned, an estimate of the magnitude of the received pulse at a particular time for each reference direction from a pre-selected finite set of reference directions in the angular control sector, and the aforementioned estimate of the magnitude of the received impulse form by averaging over the observation channels the signal samples on the subsets of the outputs of the said delay elements, which for a given reference direction in the various said monitoring channels correspond to the same discrete time position; find an estimate of the shape of the received pulse from the formed estimates of the magnitude of the received signal for various discrete time instants; using the found estimate of the shape of the received pulse as a reference signal in said multi-channel correlation processing; on the plurality of results of said multichannel correlation processing, a correlation maximum is selected, which is used as pre-threshold decision statistics in said target detection procedure; estimate the direction of arrival of the reflected pulses in said predetermined angular control sector using an interpolation estimate of the position of said correlation maximum in the vicinity of that reference direction from said selected set of reference directions for which the greatest result of said multi-channel correlation processing is obtained. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что упомянутое формирование множества сигнальных отсчетов в каждом из упомянутых каналов наблюдения осуществляют с помощью линейной интерполяции за счет того, что находят веса линейных комбинаций сигналов на выходах упомянутых элементов задержки в разных упомянутых каналах наблюдения и используют эти найденные веса линейных комбинаций сигналов для формирования условных оценок формы принимаемых импульсов на заданном множестве дискретных временных позиций, согласующихся с одним из упомянутого выбранного множества опорных направлений.3. The method according to claim 2, characterized in that said formation of a plurality of signal samples in each of said observation channels is carried out using linear interpolation due to the fact that the weights of linear signal combinations are found at the outputs of said delay elements in different said observation channels and used these found weights of linear signal combinations for forming conditional estimates of the shape of the received pulses at a given set of discrete time positions consistent with one of the selected many support directions. 4. Программный продукт, который исполняется на компьютере в способе локации цели, в котором излучают сверхширокополосные импульсы решеткой антенных элементов; при приеме отраженных импульсов в заранее заданном угловом секторе контроля задерживают сигнал, принятый каждым антенным элементом упомянутой решетки антенных элементов, с помощью последовательно соединенных элементов задержки в каждом из множества используемых каналов наблюдения; осуществляют процедуру обнаружения цели путем использования многоканальной корреляционной обработки сигналов на выходах упомянутых элементов задержки в разных упомянутых каналах наблюдения; при этом упомянутый программный продукт обеспечивает выполнение упомянутой многоканальной корреляционной обработки сигналов, в процессе которой выполняют оценку формы принимаемого импульса на множестве дискретных временных позиций путем усреднения по упомянутым каналам наблюдения для сигналов на подмножествах выходов тех из упомянутых элементов задержки, которые в разных упомянутых каналах наблюдения соответствуют одной и той же дискретной временной позиции при известном направлении прихода отраженных импульсов в упомянутом заранее заданном угловом секторе контроля; используют найденную оценку формы принимаемого импульса в качестве опорного сигнала в упомянутой многоканальной корреляционной обработке.4. A software product that is executed on a computer in a target location method in which ultra-wideband pulses are emitted by an array of antenna elements; when receiving reflected pulses in a predetermined angular monitoring sector, the signal received by each antenna element of said array of antenna elements is delayed with the help of series-connected delay elements in each of the plurality of observation channels used; carry out a target detection procedure by using multi-channel correlation signal processing at the outputs of said delay elements in the various said observation channels; wherein said software product performs said multichannel correlation processing of signals, during which the shape of the received pulse is estimated at a plurality of discrete time positions by averaging over said observation channels for signals on subsets of the outputs of said delay elements that correspond in different said observation channels to of the same discrete time position with a known direction of arrival of reflected pulses in the aforementioned anee predetermined angular control of the sector; using the found estimate of the shape of the received pulse as a reference signal in said multi-channel correlation processing. 5. Программный продукт, который исполняется на компьютере в способе локации цели, в котором излучают сверхширокополосные импульсы решеткой антенных элементов; при приеме отраженных импульсов в заранее заданном угловом секторе контроля задерживают сигнал, принятый каждым антенным элементом упомянутой решетки антенных элементов, с помощью последовательно соединенных элементов задержки в каждом из множества используемых каналов наблюдения; осуществляют процедуру обнаружения цели путем использования многоканальной корреляционной обработки сигналов на выходах упомянутых элементов задержки в разных упомянутых каналах наблюдения; при этом упомянутый программный продукт обеспечивает выполнение упомянутой многоканальной корреляционной обработки сигналов, в процессе которой формируют оценку величины принимаемого импульса в момент времени для каждого опорного направления из заранее выбранного конечного множества опорных направлений в угловом секторе контроля, причем упомянутую оценку величины принимаемого импульса формируют путем усреднения по каналам наблюдения сигнальных отсчетов на подмножествах выходов упомянутых элементов задержки, которые для заданного опорного направления в разных упомянутых каналах наблюдения соответствуют одной и той же дискретной временной позиции; находят оценку формы принимаемого импульса по сформированным оценкам величины принимаемого сигнала для различных дискретных моментов времени; используют найденную оценку формы принимаемого импульса в качестве опорного сигнала в упомянутой многоканальной корреляционной обработке; на множестве результатов упомянутой многоканальной корреляционной обработки выбирают корреляционный максимум, который используют в качестве предпороговой решающей статистики в упомянутой процедуре обнаружения цели; оценивают направление прихода отраженных импульсов в упомянутом заранее заданном угловом секторе контроля с помощью интерполяционной оценки положения упомянутого корреляционного максимума в окрестности того опорного направления из упомянутого выбранного множества опорных направлений, для которого получен наибольший результат упомянутой многоканальной корреляционной обработки.5. A software product that is executed on a computer in a target location method in which ultra-wideband pulses are emitted by an array of antenna elements; when receiving reflected pulses in a predetermined angular monitoring sector, the signal received by each antenna element of said array of antenna elements is delayed with the help of series-connected delay elements in each of the plurality of observation channels used; carry out a target detection procedure by using multi-channel correlation signal processing at the outputs of said delay elements in the various said observation channels; wherein said software product performs said multichannel correlation signal processing, during which an estimate of the magnitude of the received pulse at a point in time is generated for each reference direction from a pre-selected finite set of reference directions in the angular control sector, and said estimate of the magnitude of the received pulse is formed by averaging over observation channels of signal samples on the subsets of outputs of the mentioned delay elements, which for a given th reference direction in different channels of said observations correspond to the same discrete time slot; find an estimate of the shape of the received pulse from the formed estimates of the magnitude of the received signal for various discrete time instants; using the found estimate of the shape of the received pulse as a reference signal in said multi-channel correlation processing; on the plurality of results of said multichannel correlation processing, a correlation maximum is selected, which is used as pre-threshold decision statistics in said target detection procedure; estimate the direction of arrival of the reflected pulses in said predetermined angular control sector using an interpolation estimate of the position of said correlation maximum in the vicinity of that reference direction from said selected set of reference directions for which the greatest result of said multi-channel correlation processing is obtained. 6. Программный продукт по п.5, отличающийся тем, что упомянутое формирование множества сигнальных отсчетов в каждом из упомянутых каналов наблюдения осуществляют с помощью линейной интерполяции за счет того, что находят веса линейных комбинаций сигналов на выходах упомянутых элементов задержки в разных упомянутых каналах наблюдения и используют эти найденные веса линейных комбинаций сигналов для формирования условных оценок формы принимаемых импульсов на заданном множестве дискретных временных позиций, согласующихся с одним из упомянутого выбранного множества опорных направлений.6. The software product according to claim 5, characterized in that said formation of a plurality of signal samples in each of said observation channels is carried out by linear interpolation due to the fact that the weights of linear signal combinations are found at the outputs of said delay elements in different said observation channels and use these found weights of linear signal combinations to form conditional estimates of the shape of the received pulses at a given set of discrete time positions, consistent with one of the mentioned The selected set of reference directions.
RU2003134395/09A 2003-11-28 2003-11-28 Mode of location target(variants) RU2254592C1 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2003134395/09A RU2254592C1 (en) 2003-11-28 2003-11-28 Mode of location target(variants)
PCT/RU2004/000308 WO2005052631A1 (en) 2003-11-28 2004-08-10 Method for detecting a target

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2003134395/09A RU2254592C1 (en) 2003-11-28 2003-11-28 Mode of location target(variants)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2254592C1 true RU2254592C1 (en) 2005-06-20

Family

ID=34632225

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2003134395/09A RU2254592C1 (en) 2003-11-28 2003-11-28 Mode of location target(variants)

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2254592C1 (en)
WO (1) WO2005052631A1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2542325C1 (en) * 2013-07-24 2015-02-20 Олег Иванович Завалишин Aircraft location method
RU2692467C2 (en) * 2016-08-29 2019-06-25 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации Radar method

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5184135A (en) * 1992-03-23 1993-02-02 Gec-Marconi Electronic Systems Corp. Phase measurement of received pseudonoise sequence using digital correlation
US5566202A (en) * 1995-04-19 1996-10-15 Gec-Marconi Electronic Systems Corp. System using a split correlator for frequency compensating a phase modulated pseudonoise sequence signal
RU2178620C2 (en) * 1999-02-19 2002-01-20 Корпорация "Самсунг Электроникс" Method of search for wide-band signal ( variants ) and device for its implementation
RU2144682C1 (en) * 1999-03-01 2000-01-20 Болтинцев Владимир Борисович Method of radar sounding of geological section
US6515622B1 (en) * 2000-06-13 2003-02-04 Hrl Laboratories, Llc Ultra-wideband pulse coincidence beamformer

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2542325C1 (en) * 2013-07-24 2015-02-20 Олег Иванович Завалишин Aircraft location method
RU2692467C2 (en) * 2016-08-29 2019-06-25 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации Radar method

Also Published As

Publication number Publication date
WO2005052631A1 (en) 2005-06-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Jin et al. Time reversal in multiple-input multiple-output radar
US7929375B2 (en) Method and apparatus for improved active sonar using singular value decomposition filtering
Cuomo et al. Ultrawide-band coherent processing
Abraham et al. Novel physical interpretations of K-distributed reverberation
US5945940A (en) Coherent ultra-wideband processing of sparse multi-sensor/multi-spectral radar measurements
RU2528556C1 (en) Method of processing sonar echo signal
WO2012098294A1 (en) Methods and arrangements for detecting weak signals
Shi et al. Detection of low-velocity and floating small targets in sea clutter via income-reference particle filters
Vicen-Bueno et al. Automatic target detection in simulated ground clutter (Weibull distributed) by multilayer perceptrons in a low-resolution coherent radar
Rabideau Clutter and jammer multipath cancellation in airborne adaptive radar
Abratkiewicz et al. Multipath interference removal in receivers of linear frequency modulated radar pulses
Xue et al. Knowledge-based target detection in compound Gaussian clutter with inverse Gaussian texture
RU2254592C1 (en) Mode of location target(variants)
Carroll Adaptive chaotic maps for identification of complex targets
RU119126U1 (en) DEVICE FOR INCREASING ANGULAR RESOLUTION OF AMPLITUDE TOTAL-DIFFERENT MONO-PULSE SYSTEM
Jeong et al. Robust CFAR detector with ordered statistic of sub-reference cells in multiple target situations
Lai Through wall surveillance using ultrawideband random noise radar
RU2730182C1 (en) Method of multiple-rundown signal accumulation in radar station when detecting aerial targets in pulse-doppler mode
Sinitsyn Copula based detection algorithm for MIMO ultrawideband noise radars
RU2740296C1 (en) Method for high-precision direction finding of director of multiple response-pulse interference
Douvenot et al. Parameter-based rules for the definition of detectable ducts for an RFC system
Lee et al. A study on modeling of sea clutter echo for short time of measurement
Gholampour Modeling Inhomogeneous Clutter for Airborne Bistatic Radar Detection-Investigating inhomogenous clutter reflectivity patterns’ impact on detector performance in airborne bistatic radar
Ravan et al. Ionospheric clutter model for high frequency surface wave radar
RU2581898C1 (en) Method of measuring angular coordinates of target

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20181129