RU2291456C1

RU2291456C1 - Mode of computer-interferometric detection-direction finding of signals of extended spectrum

Info

Publication number: RU2291456C1
Application number: RU2005108273/09A
Authority: RU
Inventors: Николай Макарович Иванов (RU); Николай Макарович Иванов; Валерий Николаевич Шевченко (RU); Валерий Николаевич Шевченко
Priority date: 2005-03-23
Filing date: 2005-03-23
Publication date: 2007-01-10

Abstract

FIELD: the invention refers to measuring technique and may be used for passive detection and direction finding of communications systems, location and control, using complex signals.

SUBSTANCE: the technical result is achieved due to using of the reliability criterion of detection-direction finding and solution of the problem of the "reference signal" at compression of signal spectrum with low spectral power density of an unknown form. That approached quality of matched filtering at low signal-to-noise ratios to maximum attainable quality for the completely known reference signal. At that sensitivity of detection and direction finding of signals with extended spectrum increases in relation to the prototype in N times where N - a number of antennas of the receiving array.

EFFECT: increases effectiveness of detection-direction finding of the sources radiating broad class signals with extended spectrum of unknown form having energy and time secretiveness.

2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в акустике и радиотехнике для пассивного обнаружения-пеленгования сложных сигналов неизвестной формы с низкой спектральной плотностью мощности.The invention relates to measuring equipment and can be used in acoustics and radio engineering for passive detection-direction finding of complex signals of unknown shape with a low power spectral density.

Известные способы в настоящее время не решают эффективно проблему обнаружения и пеленгования систем связи, локации и управления, использующих сигналы с повышенной энергетической скрытностью, то есть сложные сигналы трех основных классов: сигналы со скачкообразным изменением частоты, сигналы с линейной частотной модуляцией и широкополосные псевдослучайные сигналы.Known methods currently do not effectively solve the problem of detection and direction finding of communication, location and control systems using signals with increased energy secrecy, that is, complex signals of three main classes: signals with frequency hopping, linear frequency modulated signals and wideband pseudo-random signals.

Известен способ компьютерно-интерферометрического обнаружения-пеленгования сигналов с расширенным спектром [1], включающий:A known method of computer-interferometric detection-direction finding of signals with an extended spectrum [1], including:

1. Прием сигнала с расширенным спектром двумя пространственно разнесенными каналами и формирование выходного сигнала каждого канала;1. Reception of a signal with an extended spectrum of two spatially separated channels and the formation of the output signal of each channel;

2. Определение взаимной корреляции выходных сигналов каналов и восстановление взаимной корреляционной функции сигналов с расширенным спектром, принятых двумя каналами;2. Determination of the cross-correlation of the channel output signals and restoration of the cross-correlation function of the spread spectrum signals received by the two channels;

3. Фильтрацию сигнала взаимной корреляционной функции и выделение только центральной части взаимной корреляционной функции;3. Filtering the signal of the mutual correlation function and highlighting only the central part of the mutual correlation function;

4. Преобразование центральной части взаимной корреляционной функции в комплексную взаимную спектральную плотность;4. Transformation of the central part of the mutual correlation function into a complex mutual spectral density;

5. Определение наличия сигнала с расширенным спектром по модулю комплексной взаимной спектральной плотности;5. Determination of the presence of a signal with an extended spectrum modulo complex mutual spectral density;

6. Измерение угла наклона фазы комплексной взаимной спектральной плотности и определение направления прихода принятого сигнала с расширенным спектром.6. Measurement of the phase angle of the phase of the complex mutual spectral density and determination of the direction of arrival of the received signal with an extended spectrum.

Этот способ перед вычислением пеленга осуществляет сжатие принятого сигнала по времени, что обеспечивает энергетический выигрыш при обнаружении сигнала с расширенным спектром. Однако этот выигрыш ограничивается наличием только двух пространственно разнесенных приемных каналов.This method, before calculating the bearing, compresses the received signal in time, which provides energy gain when detecting a signal with a spread spectrum. However, this gain is limited by the presence of only two spatially separated receiving channels.

Известен более совершенный способ компьютерно-интерферометрического обнаружения-пеленгования сигналов с расширенным спектром [2], использующий совокупность пространственно разнесенных приемных каналов и принятый за прототип. Способ включает:Known for a more advanced method of computer-interferometric detection-direction finding of signals with an extended spectrum [2], using a set of spatially separated receiving channels and adopted as a prototype. The method includes:

1. Когерентный прием сигнала с расширенным спектром решеткой антенн в заданной полосе частот. В результате формируется ансамбль сигналов х_n(t), зависящих от времени t и от номера антенны n=0,..., N-1;1. Coherent reception of a signal with an extended spectrum array of antennas in a given frequency band. As a result, an ensemble of signals x _n (t) is formed, depending on time t and on the antenna number n = 0, ..., N-1;

2. Синхронное преобразование ансамбля принятых антеннами сигналов х_n(t) в цифровые сигналы х_n(z), где z - номер временного отсчета сигнала;2. Synchronous conversion of the ensemble of signals x _n (t) received by the antennas into digital signals x _n (z), where z is the number of the time reference of the signal;

3. Синхронную регистрацию цифровых сигналов x_n(z) на заданном временном интервале;3. Synchronous registration of digital signals x _n (z) at a given time interval;

4. Преобразование цифровых сигналов x_n(z) в комплексные временные спектры сигнала каждой антенны, например, дискретным преобразованием Фурье по времени с использованием алгоритма быстрого преобразования Фурье (БПФ)

, где F_t{...} - оператор БПФ по времени, а k=0,..., K-1 - номер частотного отсчета. В результате данной операции формируется матрица комплексных временных спектров принятого сигнала

размером N×K с элементами

;4. Conversion of digital signals x _n (z) into the complex time spectra of the signal of each antenna, for example, discrete Fourier transform in time using the fast Fourier transform algorithm (FFT)

, where F _t {...} is the FFT operator in time, and k = 0, ..., K-1 is the number of the frequency reference. As a result of this operation, a matrix of complex time spectra of the received signal is formed

size N × K with elements

;

5. Запоминание матрицы спектров принятого сигнала

;5. Storing the matrix of spectra of the received signal

;

6. Вычисление спектра мощности сигнала опорной антенны

;6. The calculation of the power spectrum of the signal of the reference antenna

;

7. Сравнение спектра мощности

с порогом и выбор частот, на которых обнаружен сигнал передатчика;7. Power spectrum comparison

with a threshold and the choice of frequencies at which a transmitter signal is detected;

8. Получение амплитудно-фазового распределения (АФР) сигнала, принятого антеннами решетки, путем свертки комплексно-сопряженного спектров опорной

и спектров остальных

антенн на выбранных частотах, где

- вектор-столбец с элементами

, которые являются комплексными амплитудами сигналов, принятых отдельными антеннами;8. Getting the amplitude-phase distribution (AFR) the signal received by the array antennas by convolving the complex conjugate reference spectra

and the spectra of the rest

antennas at selected frequencies, where

- column vector with elements

which are the complex amplitudes of the signals received by individual antennas;

9. Вычисление углового спектра принятого сигнала умножением полученного АФР на комплексную фазирующую функцию, зависящую от конфигурации антенной решетки, и суммирование полученных произведений;9. Calculation of the angular spectrum of the received signal by multiplying the obtained AFR on the complex phasing function, depending on the configuration of the antenna array, and the summation of the obtained products;

10. Определение пеленга передатчика по максимуму квадрата модуля комплексного углового спектра.10. Determination of the bearing of the transmitter by the maximum squared module of the complex angular spectrum.

Таким образом, способ-прототип перед вычислением пеленга путем свертки комплексно-сопряженного спектра опорной

и спектра n-й антенны

решетки осуществляет сжатие спектра сигнала, принятого каждой антенной решетки.Thus, the prototype method before calculating the bearing by convolution of the complex conjugate reference spectrum

and spectrum of the nth antenna

array performs compression of the spectrum of the signal received by each antenna array.

К недостаткам способа-прототипа относятся:The disadvantages of the prototype method include:

- низкая чувствительность при обнаружении и пеленговании сигналов с расширенным спектром;- low sensitivity in the detection and direction finding of signals with a wide spectrum;

- наличие аномально больших ошибок при пеленговании (до 30 и более градусов).- the presence of abnormally large errors during direction finding (up to 30 or more degrees).

Низкая чувствительность при обнаружении обусловлена тем, что решение об обнаружении принимается по сигналу только одной антенны, выбранной в качестве опорной. При этом мощность сигнала, принимаемая остальными антеннами, не используется.The low sensitivity during detection is due to the fact that the decision to detect is made by the signal of only one antenna selected as the reference. In this case, the signal power received by the remaining antennas is not used.

Ограничение чувствительности при пеленговании обусловлено низким качеством сжатия спектра при согласованной фильтрации пеленгуемого сигнала с низким отношением сигнал/шум на выходе элементов антенной решетки, так как при этом сигнал коррелирует скорее с шумом, чем с полезным сигналом. Это характерно для всех автокорреляционных систем, формирующих опорный сигнал непосредственно из принимаемого сигнала. В противоположность этому во взаимно корреляционных системах в качестве опорного сигнала используется свободный от шумов сигнал, что обеспечивает максимально возможный энергетический выигрыш за счет согласованной фильтрации полезного сигнала.The sensitivity limitation during direction finding is due to the low quality of the spectrum compression with matched filtering of the direction-finding signal with a low signal-to-noise ratio at the output of the antenna array elements, since in this case the signal correlates more with noise than with useful signal. This is characteristic of all autocorrelation systems that form the reference signal directly from the received signal. In contrast, in cross-correlation systems, a noise-free signal is used as a reference signal, which provides the maximum possible energy gain due to the matched filtering of the useful signal.

Аномально большие ошибки пеленгования сигналов с расширенным спектром обусловлены в первую очередь высокой вероятностью ложных обнаружений, свойственной способу-прототипу. Это обусловлено тем, что в прототипе применяется традиционный энергетический признак при обнаружении сигналов, который, как известно, из-за необходимости понижения порога обнаружения теряет свою эффективность при низких входных отношениях сигнал/шум, свойственных сигналам с низкой спектральной плотностью мощности.Anomalously large errors in direction finding of signals with a spread spectrum are primarily due to the high probability of false detections inherent in the prototype method. This is because the prototype uses a traditional energy feature when detecting signals, which, as you know, due to the need to lower the detection threshold, loses its effectiveness at low input signal-to-noise ratios inherent to signals with a low power spectral density.

Таким образом, аномально большие ошибки пеленгования сигналов с расширенным спектром обусловлены возможностью получения пеленгов по шумовым реализациям, с одной стороны, и отсутствием у прототипа операций идентификации и исключения пеленгов, полученных по шумовым реализациям, с другой.Thus, the anomalously large errors in direction finding of signals with an extended spectrum are due to the possibility of obtaining bearings from noise implementations, on the one hand, and the lack of identification and exclusion of bearings obtained from noise implementations from the prototype, on the other.

Повышение чувствительности при использовании способа-прототипа можно обеспечить несколькими известными путями.The increase in sensitivity when using the prototype method can be provided in several known ways.

1. Увеличением базы антенной решетки и числа ее элементов.1. An increase in the base of the antenna array and the number of its elements.

Однако размер базы ограничивается интервалом пространственной корреляции сигналов, который зависит от свойств среды распространения сигнала. Кроме того, увеличение базы антенной решетки требует существенного увеличения затрат на создание системы пеленгования и, как правило, ограничивается в применении на практике условиями размещения антенной решетки.However, the base size is limited by the spatial correlation interval of the signals, which depends on the properties of the signal propagation medium. In addition, increasing the base of the antenna array requires a significant increase in the cost of creating a direction finding system and, as a rule, is limited in practice by the conditions for placing the antenna array.

2. Увеличением длительности интервала регистрации сигнала для выделения сигнала из шума за счет накопления во времени.2. An increase in the duration of the signal registration interval for isolating the signal from noise due to accumulation in time.

Этот путь только частично повышает эффективность обнаружения-пеленгования сигналов с расширенным спектром, так как возможность накопления ограничивается в применении длительностью сигналов.This way only partially increases the efficiency of detection-direction finding of signals with a wide spectrum, since the possibility of accumulation is limited in application by the duration of the signals.

3. Использованием некогерентного сложения спектров мощности сигналов всех антенн решетки для обнаружения сигнала.3. Using incoherent addition of the power spectra of the signals of all the antennas of the array to detect the signal.

Однако некогерентное сложение сигналов может повысить чувствительность при обнаружении только в

раз, что существенно ниже, чем при когерентном сложении сигналов, так как приводит к потере фазовой информации.However, incoherent signal addition can increase sensitivity when detected only in

times, which is significantly lower than with coherent signal addition, since it leads to a loss of phase information.

Таким образом, эти пути радикально не решают указанные проблемы.Thus, these paths do not radically solve these problems.

Техническим результатом изобретения является повышение эффективности (чувствительности и достоверности) обнаружения-пеленгования источников, излучающих широкий класс сигналов неизвестной формы с расширенным спектром, обладающих как временной, так и энергетической скрытностью.The technical result of the invention is to increase the efficiency (sensitivity and reliability) of detection-direction finding of sources emitting a wide class of signals of an unknown shape with an expanded spectrum, having both temporary and energy secrecy.

Повышение эффективности обнаружения-пеленгования сигналов достигается за счет:Improving the efficiency of detection-direction finding signals is achieved by:

1. Решения проблемы "опорного сигнала", повышающего чувствительность путем применения вместо традиционной свертки комплексно сопряженных спектров, как правило, зашумленного сигнала опорной антенны и сигналов остальных антенн решетки, итерационно формируемой свертки спектров сигналов отдельных антенн решетки и существенно менее зашумленного комплексно сопряженного спектра выходного сигнала решетки, также итерационно получаемого когерентным сложением сигналов всех антенн решетки в направлении на источник. Итерационно формируемая свертка обеспечивает когерентное накопление полезного выходного сигнала решетки и соответствующего АФР на фоне шумов, что приводит к максимально возможному отношению сигнал/шум при сжатии спектра сигнала неизвестной формы и приближает качество согласованной фильтрации к предельно достижимому качеству для случая полностью известного опорного сигнала;1. Solutions to the "reference signal" problem, which increases sensitivity by using instead of the traditional convolution of complex conjugate spectra, as a rule, a noisy signal of the reference antenna and the signals of the remaining array antennas, iteratively formed convolution of the signal spectra of individual antenna arrays and a significantly less noisy complex conjugate spectrum of the output signal array, also iteratively obtained by coherently combining the signals of all the antennas of the array in the direction to the source. The iteratively generated convolution provides coherent accumulation of the useful output signal of the grating and the corresponding AFR against the background of noise, which leads to the maximum possible signal-to-noise ratio when compressing the spectrum of an unknown signal and brings the quality of matched filtering to the maximum achievable quality for the case of a fully known reference signal;

2. Использования наиболее общего критерия достоверности обнаружения-пеленгования, что снижает аномально большие ошибки обнаружения-пеленгования сигналов с расширенным спектром, для которых характерна низкая спектральная плотность мощности. При этом в качестве признака достоверности обнаружения-пеленгования наряду с традиционно применяемым энергетическим критерием использован критерий формы волнового фронта принятого сигнала, предусматривающий проверку степени близости формы принятого и модельного волновых фронтов.2. The use of the most general criteria for the reliability of detection-direction finding, which reduces anomalously large errors in the detection-direction finding of signals with a wide spectrum, which are characterized by a low power spectral density. At the same time, along with the traditionally used energy criterion, a criterion for the shape of the wavefront of the received signal is used as a sign of the reliability of detection-direction finding, which provides for checking the degree of closeness of the shape of the received and model wavefronts.

Технический результат достигается тем, что в способе компьютерно-интерферометрического обнаружения-пеленгования сигналов с расширенным спектром, включающем когерентный прием сигнала решеткой антенн в заданной полосе частот, синхронное преобразование ансамбля принятых антеннами сигналов в цифровые сигналы и их синхронную регистрацию на заданном временном интервале, преобразование цифровых сигналов в комплексные временные спектры сигнала каждой антенны и запоминание матрицы спектров

принятого сигнала, согласно изобретению итерационно реконструируют амплитудно-фазовое распределение (АФР)

и комплексный спектр выходного сигнала решетки

, используя матрицу спектров

принятого сигнала и выбирая в качестве начального приближения спектра сигнала

комплексно-сопряженный спектр сигнала опорной антенны, преобразуют реконструированное АФР

в двумерный комплексный угловой спектр, по максимумам модуля которого находят азимутально-угломестный пеленг принятого сигнала, принимают решение об обнаружении сигнала с расширенным спектром и определяют достоверность обнаружения-пеленгования, используя полученные значения пеленга, АФР

и спектра выходного сигнала решетки

.The technical result is achieved by the fact that in the method of computer-interferometric detection-direction finding of signals with an extended spectrum, including coherent reception of a signal by an array of antennas in a given frequency band, synchronous conversion of an ensemble of signals received by antennas into digital signals and their synchronous registration at a given time interval, digital conversion signals in the complex time spectra of the signal of each antenna and storing the matrix of spectra

the received signal, according to the invention iteratively reconstructs the amplitude-phase distribution (AFR)

and complex spectrum of the output signal of the grating

using the spectrum matrix

the received signal and choosing as the initial approximation of the signal spectrum

complex conjugate signal spectrum of the reference antenna, convert the reconstructed AFR

into the two-dimensional complex angular spectrum, the maximum of the module which is found azimuthally elevated bearing of the received signal, decide on the detection of a signal with an extended spectrum and determine the reliability of detection-direction finding using the obtained values of the bearing, AFR

and the spectrum of the output signal of the grating

.

Возможны частные случаи осуществления способа:Particular cases of the method are possible:

1. Реконструкцию АФР

и спектра выходного сигнала решетки

на каждой итерации выполняют путем свертки спектров принятого

и реконструированного на предыдущей итерации

сигналов для уточнения АФР

где l=1, 2,... - номер итерации, вычисления энергии уточненного АФР

где (·)⁺- символ эрмитового сопряжения, нормирования уточненного АФР

и его запоминания, уточнения спектра сигнала

преобразованием каждой спектральной составляющей принятого сигнала

по алгоритму формирования луча с использованием в качестве фазирующего вектора реконструированного на текущей итерации нормированного АФР

вычисления энергии уточненного спектра сигнала

нормирования уточненного спектра сигнала

и его запоминания, проверки совпадения энергий уточненного спектра сигнала и АФР

где ε - малое число, для прекращения итерационного процесса и выбора реконструированных значений АФР

и комплексного спектра выходного сигнала решетки

1. Reconstruction of the PRA

and the spectrum of the output signal of the grating

at each iteration, they are performed by convolution of the spectra of

and reconstructed at the previous iteration

signals for specifying AFR

where l = 1, 2, ... is the number of iteration, the energy calculation of the specified AFR

where () ⁺ is the symbol of Hermitian conjugation, normalization of the refined AFR

and its memorization, refinement of the signal spectrum

conversion of each spectral component of the received signal

according to the beamforming algorithm using normalized AFR as a phasing vector reconstructed at the current iteration

calculating the energy of the specified signal spectrum

normalization of the specified signal spectrum

and its storage, checking the coincidence of the energies of the specified spectrum of the signal and AFR

where ε is a small number to terminate the iterative process and select the reconstructed AFR values

and complex spectrum of the output signal of the grating

Это повышает отношение сигнал/шум АФР

и выходного сигнала решетки

при использовании только одной принятой реализации входного сигнала и, как следствие, обеспечивает необходимые условия для повышения чувствительности и достоверности обнаружения-пеленгования источников, излучающих широкий класс сигналов с расширенным спектром, обладающих как временной, так и энергетической скрытностью.This increases the signal-to-noise ratio of AFR

and lattice output

when using only one accepted implementation of the input signal and, as a result, provides the necessary conditions for increasing the sensitivity and reliability of detection-direction finding of sources emitting a wide class of signals with an extended spectrum, having both temporary and energy secrecy.

2. Обнаружение сигнала с расширенным спектром и определение достоверности его обнаружения-пеленгования осуществляют путем вычисления отсчетов спектра мощности

реконструированного комплексного спектра выходного сигнала решетки

и сравнения отсчетов полученного спектра мощности

с порогом, формирования АФР модельного волнового фронта, соответствующего найденному азимутально-угломестному пеленгу, и его сравнения с реконструированным АФР, описывающим фактически принятый волновой фронт, принятия решения о наличии сигнала с расширенным спектром и о достоверности его обнаружения-пеленгования, если отсчеты спектра мощности

превысили порог, а АФР модельного и АФР фактически принятого фронтов совпали с заданной точностью.2. The detection of a signal with an extended spectrum and determining the reliability of its detection-direction finding is carried out by calculating the samples of the power spectrum

reconstructed complex spectrum output grid signal

and comparing the readings of the received power spectrum

with a threshold, the formation of the AFR of the model wavefront corresponding to the found azimuthal elevation bearing, and its comparison with the reconstructed AFR describing the actually adopted wavefront, the decision on the presence of an extended-spectrum signal and the reliability of its detection-direction finding if the power spectrum reads

exceeded the threshold, and the ADF of the model and ADF of the actually received fronts coincided with the given accuracy.

Это снижает аномально большие ошибки обнаружения-пеленгования сигналов с расширенным спектром, обладающих как временной, так и энергетической скрытностью.This reduces the abnormally large errors of detection and direction finding of signals with an extended spectrum, which have both temporary and energy secrecy.

Операции способа поясняются чертежом структурной схемы устройства компьютерно-интерферометрического обнаружения-пеленгования сигналов с расширенным спектром.The operation of the method is illustrated by a drawing of a structural diagram of a device for computer-interferometric detection-direction finding of signals with an extended spectrum.

Рассмотрим работу устройства, реализующего предложенный способ, на примере обнаружения-пеленгования сигналов с расширенным спектром источников электромагнитных волн.Consider the operation of a device that implements the proposed method, for example, detection-direction finding of signals with an extended spectrum of sources of electromagnetic waves.

Устройство, реализующее предложенный способ, содержит последовательно соединенные антенную решетку 1, преобразователь частоты 2, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 3, вычислитель БПФ 4, вычислитель свертки 5, устройство фазирования 6, блок сравнения 7, измеритель пеленга и идентичности АФР 8, решающее устройство 9, устройство управления и отображения 10, выход которого подключен ко входу преобразователя 2. При этом ко второму входу блока 9 подключен блок энергетического обнаружения 11, первый вход которого совместно со вторым входом измерителя 8 подключен к выходу блока 7, а второй вход подключен ко второму выходу устройства 6 и ко второму входу вычислителя 5. Кроме того, выход вычислителя 4 также подключен ко второму входу устройства 6, второй выход вычислителя 5 подключен ко второму входу блока 7, а выход вычислителя 5 также соединен со вторым входом измерителя 8.A device that implements the proposed method contains a series-connected antenna array 1, a frequency converter 2, an analog-to-digital converter (ADC) 3, an FFT calculator 4, a convolution calculator 5, a phasing device 6, a comparison unit 7, an AFR 8 bearing and identity meter, device 9, a control and display device 10, the output of which is connected to the input of the converter 2. At the same time, an energy detection unit 11 is connected to the second input of block 9, the first input of which together with the second input will measure For 8, it is connected to the output of block 7, and the second input is connected to the second output of the device 6 and to the second input of the calculator 5. In addition, the output of the calculator 4 is also connected to the second input of the device 6, the second output of the calculator 5 is connected to the second input of the block 7, and the output of the calculator 5 is also connected to the second input of the meter 8.

Антенная решетка 1 содержит N антенн с номерами n=0...N-1. Антенная решетка может быть произвольной пространственной конфигурации: плоской прямоугольной, плоской кольцевой или объемной, в частности, конформной.Antenna array 1 contains N antennas with numbers n = 0 ... N-1. The antenna array can be of any spatial configuration: flat rectangular, flat annular or three-dimensional, in particular, conformal.

Преобразователь частоты 2 выполнен с общим гетеродином и с полосой пропускания каждого канала, соответствующей ширине спектра сигнала передатчика. Общий гетеродин обеспечивает многоканальный когерентный прием сигналов, что является основным условием интерферометрической (голографической) регистрации сигналов передатчиков. Если разрядность и быстродействие АЦП достаточны для непосредственного аналого-цифрового преобразования входных сигналов, как, например, при построении изображения в KB диапазоне и в акустике, то вместо преобразователя 2 могут использоваться частотно избирательный полосовой фильтр и усилитель. Другими словами, аналоговая часть устройства, реализующего предлагаемый способ, может быть построена по принципу прямого усиления. Кроме этого, преобразователь 2 обеспечивает подключение одной из антенн вместо всех антенн решетки для периодической калибровки каналов по внешнему источнику сигнала с целью устранения их амплитудно-фазовой неидентичности. Возможна калибровка по внутреннему источнику сигнала. При этом может быть использован генератор шума, выход которого также может подключаться вместо всех антенн для периодической калибровки каналов.Frequency converter 2 is made with a common local oscillator and with a bandwidth of each channel corresponding to the width of the spectrum of the transmitter signal. The common local oscillator provides multi-channel coherent signal reception, which is the main condition for interferometric (holographic) registration of transmitter signals. If the resolution and speed of the ADC are sufficient for direct analog-to-digital conversion of input signals, such as, for example, when constructing an image in the KB range and in acoustics, then a frequency selective bandpass filter and amplifier can be used instead of converter 2. In other words, the analog part of the device that implements the proposed method can be built on the principle of direct amplification. In addition, the converter 2 provides the connection of one of the antennas instead of all the antennas of the array for periodic calibration of channels using an external signal source in order to eliminate their amplitude-phase non-identity. Calibration by internal signal source is possible. In this case, a noise generator can be used, the output of which can also be connected instead of all antennas for periodic calibration of channels.

Вычислитель 4 содержит N процессоров БПФ, что обеспечивает одновременное вычисление комплексных временных спектров сигналов, принятых каждой из N антенн решетки, и тем самым - максимальное быстродействие.The calculator 4 contains N FFT processors, which provides the simultaneous calculation of the complex time spectra of the signals received by each of the N antennas of the array, and thereby the maximum speed.

Вычислитель 5 и устройство 6, так же, как и вычислитель 4, реализованы по многопроцессорной схеме. При этом вычислитель 5 содержит N процессоров, каждый из которых реализует свертку спектров сигнала, принятого отдельной антенной решетки, а устройство 6 включает K процессоров, каждый из которых реализует алгоритм формирования луча на частоте отдельной спектральной составляющей спектра принятого сигнала. Многопроцессорные варианты реализации вычислителя 5 и устройства 6 обеспечивают повышение быстродействия соответственно в N и K раз по сравнению с однопроцессорным вариантом.Calculator 5 and device 6, as well as calculator 4, are implemented according to a multiprocessor circuit. In this case, the calculator 5 contains N processors, each of which implements the convolution of the spectra of the signal received by a separate antenna array, and the device 6 includes K processors, each of which implements the beamforming algorithm at the frequency of a separate spectral component of the spectrum of the received signal. Multiprocessor embodiments of the calculator 5 and device 6 provide increased performance, respectively, N and K times, compared with the uniprocessor version.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

По сигналу от устройства 10 преобразователь 2 перестраивается на заданную частоту приема. Сигналы источника излучения, зависящие от времени, принимаются антеннами решетки 1. Принятый каждым антенным элементом решетки 1 зависящий от времени t сигнал источника излучения x_n(t) переносится на более низкую частоту в преобразователе 2.The signal from the device 10, the Converter 2 is tuned to a given frequency of reception. The time-dependent radiation source signals are received by the antennas of the array 1. The time-dependent signal of the radiation source x _n (t) received by each antenna element of the array 1 is transferred to a lower frequency in the converter 2.

Сформированный в преобразователе 2 ансамбль сигналов x_n(t) синхронно преобразуется с помощью АЦП 3 в ансамбль цифровых сигналов x_n(z). Цифровые сигналы x_n(z) синхронно регистрируется на заданном временном интервале в вычислителе 4.The ensemble of signals x _n (t) formed in the converter 2 is synchronously converted by the ADC 3 into an ensemble of digital signals x _n (z). Digital signals x _n (z) are synchronously recorded at a given time interval in the calculator 4.

В вычислителе 4 находится комплексный временной спектр сигнала каждой антенны, например, с применением алгоритма БПФ

, где F_t{...} - оператор БПФ по времени, a k=0,..., K-1 - номер частотного отсчета, то есть входной сигнал каждой антенны разделяют на частотные поддиапазоны.In the calculator 4 is a complex time spectrum of the signal of each antenna, for example, using the FFT algorithm

, where F _t {...} is the FFT operator in time, ak = 0, ..., K-1 is the frequency reference number, that is, the input signal of each antenna is divided into frequency subbands.

В результате данной операции формируется матрица комплексных временных спектров принятого сигнала

размером N×К с элементами

. После этого сформированная матрица спектров принятого сигнала

запоминается в вычислителе 4 и поступает на вход вычислителя 5.As a result of this operation, a matrix of complex time spectra of the received signal is formed

size N × K with elements

. After that, the generated matrix of spectra of the received signal

stored in the calculator 4 and fed to the input of the calculator 5.

В вычислителе 5 и устройстве фазирования 6 итерационно реконструируются амплитудно-фазовое распределение (АФР)

и комплексный спектр сигнала на выходе решетки

.In the calculator 5 and the phasing device 6, the amplitude-phase distribution (AFR) is iteratively reconstructed

and complex spectrum of the signal at the output of the grating

.

При этом в вычислителе 5 на каждой l-й итерации выполняются следующие действия:At the same time, in calculator 5, at each l-th iteration, the following actions are performed:

1. Вычисляется свертка спектров принятого сигнала

и реконструированного на предыдущей итерации сигнала

для уточнения АФР

.1. The convolution of the spectra of the received signal is calculated

and reconstructed at the previous iteration of the signal

to clarify the PRA

.

Уточненный сигнал АФР описывает распределение комплексных амплитуд сигналов, принятых отдельными антеннами, и математически представляет собой вектор-столбец

с элементами

. При этом сигнал

представляет собой k-й элемент спектра выходного сигнала решетки, полученный на (l-1)-й итерации в устройстве 6. В качестве начального приближения спектра сигнала

используется комплексно-сопряженный спектр сигнала опорной антенны

, запомненный в вычислителе 4, то есть при l=1 имеем

- при l=2 находим

и т.д.;The refined AFR signal describes the distribution of the complex amplitudes of the signals received by individual antennas, and mathematically is a column vector

with elements

. In this case, the signal

represents the kth element of the spectrum of the output lattice signal obtained at the (l-1) th iteration in device 6. As an initial approximation of the signal spectrum

a complex conjugate spectrum of the reference antenna signal is used

stored in calculator 4, i.e., for l = 1, we have

- for l = 2 we find

etc.;

2. Вычисляется энергия уточненного АФР

;2. The energy of the specified AFR is calculated

;

3. Нормируется уточненное АФР

. Нормированное АФР

поступает в устройство 6 и измеритель 8, а энергия уточненного АФР μ^(l) поступает в блок сравнения 7, где запоминаются.3. The specified AFR is normalized

. Normalized AFR

enters the device 6 and the meter 8, and the energy of the specified AFR μ ^(l) enters the comparison unit 7, where it is stored.

В устройстве 6 на каждой l-й итерации выполняются следующие действия:In device 6, at each l-th iteration, the following actions are performed:

1. Уточняется комплексный спектр сигнала на выходе решетки

. Для этого каждая спектральная составляющая принятого и запомненного в вычислителе 4 сигнала

преобразуется по алгоритму формирования луча с использованием в качестве фазирующего вектора реконструированного в вычислителе 5 на текущей итерации нормированного АФР

. В результате формируется комплексный спектр сигнала на выходе решетки в виде вектор-столбца

, элементы которого представляют собой отдельные спектральные компоненты выходного сигнала решетки, вычисляемые по формуле

, где

- n-й элемент АФР, полученный в вычислителе 5 на l-й итерации.1. The complex spectrum of the signal at the output of the array is specified

. For this, each spectral component of the signal received and stored in the calculator 4

converted by the beamforming algorithm using the normalized AFR as reconstructed in the calculator 5 as the phasing vector at the current iteration

. As a result, a complex signal spectrum is formed at the output of the grating in the form of a column vector

, the elements of which are individual spectral components of the output lattice signal, calculated by the formula

where

- n-th element of AFR obtained in calculator 5 at the l-th iteration.

2. Вычисляется энергия уточненного спектра сигнала

2. The energy of the specified signal spectrum is calculated.

3. Нормируется уточненный спектр сигнала

3. The specified signal spectrum is normalized.

После этого уточненный спектр сигнала

поступает в вычислитель 5 и блок 11, а энергия уточненного спектра сигнала ν^(l) поступает в блок сравнения 7, где запоминаются.After that, the refined signal spectrum

enters the calculator 5 and block 11, and the energy of the specified spectrum of the signal ν ^(l) enters the comparison unit 7, where it is stored.

Другими словами, на каждой l-й итерации в устройстве 6 каждая составляющая спектра принятого каждой антенной решетки сигнала умножается на комплексную фазирующую функцию в виде реконструированного АФР, которое содержит необходимые для фазирования пространственные разности фаз сигналов, принятых антеннами решетки, после чего скорректированные сигналы всех антенн складываются. Этот улучшенный выходной сигнал решетки затем, в свою очередь, используется в вычислителе 5 для улучшения отношения сигнал/шум сигнала АФР и т.д.In other words, at each l-th iteration in device 6, each spectral component of the signal received by each antenna array is multiplied by a complex phasing function in the form of a reconstructed AFR that contains the spatial phase differences of the signals received by the array antennas necessary for phasing, after which the corrected signals of all antennas add up. This improved grating output is then, in turn, used in calculator 5 to improve the signal-to-noise ratio of the AFR signal, etc.

Понятно, что после когерентного сложения сигналов отдельных антенн получается результирующий сигнал, который является выходным сигналом решетки с отношением сигнал/шум, в N раз превышающим отношение сигнал/шум сигнала, принятого отдельной антенной. В этом состоит физический смысл итерационного накопления полезного сигнала на фоне шумов с поочередным преобразованием сигнала в частотной области (сигнал АФР) и в пространственной области (частотный спектр выходного сигнала решетки). Следует особо подчеркнуть, что накопление полезного сигнала на фоне шумов осуществляется при наличии только одной входной реализации полезного сигнала, что представляет особую ценность при обнаружении-пеленговании коротких сигналов с расширенным спектром, то есть сигналов, обладающих как временной, так и энергетической скрытностью.It is clear that after coherent addition of the signals of individual antennas, a resulting signal is obtained, which is the output signal of the array with a signal-to-noise ratio N times greater than the signal-to-noise ratio of a signal received by a separate antenna. This is the physical meaning of the iterative accumulation of the useful signal against the background of noise with alternating signal conversion in the frequency domain (AFR signal) and in the spatial domain (frequency spectrum of the output grating signal). It should be emphasized that the accumulation of the useful signal against the background of noise occurs when there is only one input implementation of the useful signal, which is of particular value when detecting and direction finding short signals with an extended spectrum, that is, signals that have both temporary and energy secrecy.

В блоке сравнения 7 производится проверка совпадения энергий уточненного спектра сигнала и АФР

где ε - малое число. Если указанное условие выполняется, то формируется сигнал прекращения итерационного процесса, который поступает в измеритель 8 и блок 11.In the block comparison 7 checks the coincidence of the energies of the specified spectrum of the signal and AFR

where ε is a small number. If the specified condition is met, then a signal is generated to terminate the iterative process, which enters the meter 8 and block 11.

По сигналу прекращения итерационного процесса в измерителе 8 полученное на текущей итерации АФР

, поступившее из вычислителя 5, фиксируется как реконструированное значение АФР

, а в блоке 11 полученный на текущей итерации комплексный спектр выходного сигнала решетки

, поступивший из устройства 6, выбирается в качестве реконструированного значения комплексного спектра выходного сигнала решетки

.The signal termination of the iterative process in the meter 8 obtained at the current iteration AFR

received from the calculator 5, is recorded as the reconstructed AFR value

, and in block 11, the complex spectrum of the lattice output signal obtained at the current iteration

coming from device 6 is selected as the reconstructed value of the complex spectrum of the output signal of the array

.

Описанные операции реконструкции выходного сигнала решетки

и его АФР

являются основополагающими с точки зрения повышения энергетической эффективности последующих операций обнаружения-пеленгования, так как обеспечивают когерентное накопление полезного выходного сигнала решетки и соответствующего АФР на фоне шумов при наличии только одной реализации входного сигнала. При этом обеспечивается максимально возможное отношение сигнал/шум при сжатии спектра сигнала неизвестной формы. Другими словами, это приближает качество согласованной фильтрации сигнала неизвестной формы к предельно достижимому качеству согласованной фильтрации сигнала при полностью известном опорном сигнале.The described reconstruction operations of the output signal of the array

and his PRA

are fundamental from the point of view of increasing the energy efficiency of subsequent detection-direction-finding operations, since they provide coherent accumulation of the useful output signal of the array and the corresponding AFR against the background of noise in the presence of only one implementation of the input signal. This ensures the maximum possible signal to noise ratio when compressing the spectrum of a signal of an unknown shape. In other words, this brings the quality of matched filtering of a signal of an unknown shape closer to the maximum achievable quality of matched filtering of a signal with a fully known reference signal.

Кроме того, в измерителе 8 выполняются следующие действия:In addition, in meter 8, the following actions are performed:

1. Из реконструированного АФР

определяется двумерный комплексный угловой спектр, по максимуму модуля которого находится азимутально-угломестный пеленг принятого сигнала.1. From the reconstructed AFR

a two-dimensional complex angular spectrum is determined, the maximum module of which is the azimuthal elevation bearing of the received signal.

Угловой спектр может быть получен известным классическим алгоритмом формирования луча, описанным в пункте 9 на странице 3 данного описания, или алгоритмами, обеспечивающими повышенную разрешающую способность, например, алгоритмами, основанными на принципах регуляризации [3];The angular spectrum can be obtained by the well-known classical beam-forming algorithm described in clause 9 on page 3 of this description, or by algorithms providing increased resolution, for example, algorithms based on the principles of regularization [3];

2. Формируется АФР модельного волнового фронта, соответствующего найденному азимутально-угломестному пеленгу, в виде

, где

- модельные комплексные амплитуды плоского волнового фронта, к - волновое число, r_n, α_n, z_n - цилиндрические координаты n-го антенного элемента, α₀ и β₀ - найденные азимутальный и угломестный пеленги;2. An AFR of the model wavefront corresponding to the found azimuthal elevation bearing is formed in the form

where

- model complex amplitudes of a plane wave front, k - wave number, r _n , α _n , z _n - cylindrical coordinates of the n-th antenna element, α ₀ and β ₀ - found azimuth and elevation bearings;

3. Сформированное АФР модельного волнового фронта

сравнивается с реконструированным АФР

, описывающим фактически принятый волновой фронт, по следующей формуле:

.3. Formed AFR model wavefront

compares with reconstructed AFR

describing the actually adopted wavefront, according to the following formula:

.

При наличии совпадения АФР модельного и АФР фактически принятого фронтов с заданной точностью, то есть при выполнении условия W≤W₀, где W₀ - пороговое значение, формируется соответствующий сигнал, который поступает на первый вход решающего устройства 9. Значение порога W₀ выбирается исходя из минимизации вероятности ложной тревоги.If there is a coincidence of the AFR of the model and the AFR of the actually received fronts with a given accuracy, that is, when the condition W≤W ₀ , where W ₀ is the threshold value, the corresponding signal is generated, which is fed to the first input of the resolver 9. The threshold value W ₀ is selected based on from minimizing the likelihood of a false alarm.

В блоке 11 после фиксации реконструированного значения комплексного спектра выходного сигнала решетки

выполняются следующие действия:In block 11, after fixing the reconstructed value of the complex spectrum of the output signal of the grating

The following actions are performed:

1. Вычисляются отсчеты спектра мощности

;1. Power spectrum samples are calculated.

reconstructed complex spectrum output grid signal

;

2. Сравниваются отсчеты полученного спектра мощности

с порогом и при превышении порога формируется соответствующий сигнал, который поступает на второй вход решающего устройства 9. Значение порога выбирается исходя из минимизации вероятности ложной тревоги.2. The samples of the received power spectrum are compared

with a threshold and when the threshold is exceeded, a corresponding signal is generated, which is fed to the second input of the resolver 9. The threshold value is selected based on minimizing the probability of a false alarm.

В устройстве 9 при наличии на первом и втором входах сигналов, поступивших от измерителя 8 и блока 11 и соответствующих тому, что отсчеты спектра мощности

превысили порог, а АФР модельного и АФР фактически принятого фронтов совпали с заданной точностью, принимается решение об обнаружении сигнала с расширенным спектром и о достоверности его обнаружения-пеленгования. После принятия решения о достоверности обнаружения-пеленгования сигнала с расширенным спектром соответствующий сигнал поступает в устройство 10, где отображается оператору и поступает во внешние системы. После этого устройство 10 формирует сигнал перестройки на очередную частоту, и описанные операции повторяются.In the device 9, if there are signals at the first and second inputs from the meter 8 and block 11 and corresponding to the readings of the power spectrum

exceeded the threshold, and the AFR of the model and AFR of actually received fronts coincided with the specified accuracy, a decision is made to detect a signal with an extended spectrum and the reliability of its detection-direction finding. After making a decision on the reliability of detection-direction finding of a signal with a spread spectrum, the corresponding signal enters the device 10, where it is displayed to the operator and enters into external systems. After that, the device 10 generates a tuning signal to the next frequency, and the described operations are repeated.

Таким образом, способ компьютерно-интерферометрического обнаружения-пеленгования сигналов с расширенным спектром обеспечивает повышение эффективности обнаружения-пеленгования источников, излучающих широкий класс сигналов с расширенным спектром, обладающих как временной, так и энергетической скрытностью, за счет:Thus, the method of computer-interferometric detection-direction-finding of signals with a wide spectrum provides an increase in the efficiency of detection-direction-finding of sources emitting a wide class of signals with a wide spectrum, having both temporary and energy secrecy, due to:

1. Использования наиболее общего критерия достоверности обнаружения-пеленгования, что снижает аномально большие ошибки обнаружения-пеленгования сигналов с расширенным спектром, для которых характерна низкая спектральная плотность мощности.1. The use of the most general criteria for the reliability of detection-direction-finding, which reduces anomalously large errors in the detection-direction-finding of signals with a wide spectrum, which are characterized by a low power spectral density.

При этом в качестве признака достоверности обнаружения-пеленгования наряду с традиционным энергетическим критерием использован критерий формы волнового фронта принятого сигнала, предусматривающий проверку степени близости формы принятого и модельного волновых фронтов;At the same time, along with the traditional energy criterion, the wavefront shape criterion of the received signal is used as a sign of reliability of detection-direction finding, which provides for checking the degree of proximity of the shape of the received and model wavefronts;

2. Решения проблемы "опорного сигнала" при сжатии спектра сигнала с низкой спектральной плотностью мощности неизвестной формы, что приближает качество согласованной фильтрации при низких отношениях сигнал/шум к предельно достижимому качеству для случая полностью известного опорного сигнала.2. Solutions to the "reference signal" problem when compressing the spectrum of a signal with a low power spectral density of an unknown shape, which brings the quality of matched filtering at low signal-to-noise ratios to the highest achievable quality for the case of a fully known reference signal.

Предложенный способ превосходит способ-прототип по предельной чувствительности при обнаружении-пеленговании сигналов с расширенным спектром в N раз. Это обусловлено тем, что предельная чувствительность способа-прототипа ограничивается отношением сигнал/шум на выходе одной антенны решетки, а предложенного способа - отношением сигнал/шум существенно менее зашумленного реконструированного выходного сигнала решетки, полученного когерентным сложением сигналов с выходов всех N антенн решетки. Учитывая, что на практике число антенн в составе решетки может изменяться в широких пределах N=5÷10³, получаем значение выигрыша В=5÷10³.The proposed method is superior to the prototype method in extreme sensitivity in the detection-direction finding of signals with an extended spectrum N times. This is due to the fact that the maximum sensitivity of the prototype method is limited by the signal-to-noise ratio at the output of one antenna of the array, and the proposed method - by the signal-to-noise ratio of substantially less noisy reconstructed output signal of the array, obtained by coherent addition of signals from the outputs of all N array antennas. Considering that in practice the number of antennas in the array can vary over a wide range N = 5 ÷ 10 ³ , we get the gain value B = 5 ÷ 10 ³ .

Источники информацииInformation sources

1. US, патент 5955993, кл. G 01 S 5/02, 1999 г.1. US patent 5955993, CL G 01 S 5/02, 1999

2. RU, патент 2158002, кл. 7 G 01 S 3/14, 5/04, 2000 г.2. RU, patent 2158002, cl. 7 G 01 S 3/14, 5/04, 2000

3. Шевченко В.Н. Оценивание углового положения источников когерентных сигналов на основе методов регуляризации // Радиотехника. - 2003. - №9. - С.3-10.3. Shevchenko V.N. Estimation of the angular position of sources of coherent signals based on regularization methods // Radio Engineering. - 2003. - No. 9. - C.3-10.

Claims

1. A method of computer-interferometric detection-direction finding of spread spectrum signals, including coherent reception of a signal by an array of antennas in a given frequency band, synchronous conversion of an ensemble of signals received by antennas into digital signals and their synchronous registration at a given time interval, conversion of digital signals into complex time spectra the signal of each antenna, storing the matrix of spectra of the converted signals, obtaining the complex conjugate spectrum of the output signal the antennas by coherent addition of the signals of each antenna, obtaining the amplitude-phase distribution of the signal received by the array antennas by convolving the complex conjugate spectrum of the reference antenna and the spectra of the remaining array antennas in a given frequency band, characterized in that it amplifies reconstruction of the amplitude-phase distribution (AFR) and the complex spectrum of the output signal of the lattice, using the matrix of spectra of the converted signals and choosing as the initial approximation the complex spectrum of the output signal lattices the complex spectrum of the signal of the reference antenna, convert the reconstructed AFR into a two-dimensional complex angular spectrum, the maximum of the module which is found azimuthally elevated bearing of the received signal, perform the detection of the signal with an extended spectrum and determine the reliability of its detection-direction finding by calculating the power spectrum of the reconstructed complex spectrum of the output signal lattice and comparing the obtained power spectrum with a threshold, the formation of the AFR model wavefront, respectively which correlates with the found azimuthal elevation bearing, and its comparison with the reconstructed AFR, which describes the actually adopted wavefront, decides on the presence of a signal with an extended spectrum and on the reliability of its detection-direction finding, if the power spectrum exceeds the threshold, and the AFR of the model and AFR of the actually received fronts coincide with the given accuracy.

2. The method according to claim 1, characterized in that the reconstruction of the AFR and the spectrum of the output lattice signal at each iteration is performed by convolving the spectra of the signals received and reconstructed at the previous iteration to refine the AFR, calculate the energy of the refined AFR, normalize the refined AFR and memorize it, clarify the spectrum of the output signal of the grating by converting each spectral component of the received converted signal using the norms reconstructed at the previous iteration as the phasing vector AFR, calculating the energy of the refined spectrum of the signal, normalizing the refined spectrum of the signal and remembering it, checking the coincidence of the energies of the refined spectrum of the signal and AFR to terminate the iterative process and choosing the reconstructed values of the AFR and the complex spectrum of the output lattice signal.