RU2735216C2 - Method for spatio-temporal adaptive signal processing in a monopulse shipborne radar with an active phased antenna array - Google Patents

Method for spatio-temporal adaptive signal processing in a monopulse shipborne radar with an active phased antenna array Download PDF

Info

Publication number
RU2735216C2
RU2735216C2 RU2018144308A RU2018144308A RU2735216C2 RU 2735216 C2 RU2735216 C2 RU 2735216C2 RU 2018144308 A RU2018144308 A RU 2018144308A RU 2018144308 A RU2018144308 A RU 2018144308A RU 2735216 C2 RU2735216 C2 RU 2735216C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
interference
active
processing
adaptive
signal processing
Prior art date
Application number
RU2018144308A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2018144308A (en
RU2018144308A3 (en
Inventor
Валентин Иванович Аржаев
Максим Александрович Лихачев
Original Assignee
Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России)
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 Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) filed Critical Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России)
Priority to RU2018144308A priority Critical patent/RU2735216C2/en
Publication of RU2018144308A publication Critical patent/RU2018144308A/en
Publication of RU2018144308A3 publication Critical patent/RU2018144308A3/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2735216C2 publication Critical patent/RU2735216C2/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
    • G01S13/00Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/02Systems using reflection of radio waves, e.g. primary radar systems; Analogous systems
    • G01S13/06Systems determining position data of a target
    • G01S13/08Systems for measuring distance only
    • G01S13/10Systems for measuring distance only using transmission of interrupted, pulse modulated waves
    • G01S13/26Systems for measuring distance only using transmission of interrupted, pulse modulated waves wherein the transmitted pulses use a frequency- or phase-modulated carrier wave
    • G01S13/28Systems for measuring distance only using transmission of interrupted, pulse modulated waves wherein the transmitted pulses use a frequency- or phase-modulated carrier wave with time compression of received pulses
    • 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
    • G01S7/00Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/02Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00
    • G01S7/36Means for anti-jamming, e.g. ECCM, i.e. electronic counter-counter measures
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/26Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/26Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture
    • H01Q3/2605Array of radiating elements provided with a feedback control over the element weights, e.g. adaptive arrays
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/26Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture
    • H01Q3/2605Array of radiating elements provided with a feedback control over the element weights, e.g. adaptive arrays
    • H01Q3/2611Means for null steering; Adaptive interference nulling

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar Systems Or Details Thereof (AREA)

Abstract

FIELD: radar ranging and radio navigation.
SUBSTANCE: invention is intended for suppression in the main beam and side lobes of antenna beam pattern (ABP) of combined interference (mix of active and passive jamming) in radar systems (ship-based radars) having active phased antenna arrays (APAR). Method provides two-stage processing of three-dimensional data stream from elements (subarrays) of receiving antenna (N spatial channels on M received pulses and K of range resolution elements) for the purpose of step-by-step formation of adaptive weight coefficients of spatial minima created for different directions of active interference and Doppler frequency values in different range elements.
EFFECT: application of the derived weight coefficients to the data stream enables to form a set of independent beam patterns, control them in space and process them both in space, and in time to increase detection and measurement of coordinates of location of surface and air objects in conditions of uncertainty of interference environment; invention increases degree of suppression of active and passive interference in monopulse shipborne radars with APAR by not less than 15 %; simultaneously, the signal processing algorithm is simplified and time for suppression of active and passive jamming in shipborne radars is reduced by more than 2 times.
4 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области радиолокации, конкретно к способу пространственно-временной адаптивной обработки сигналов в моноимпульсной корабельной радиолокационной станции (РЛС) с активной фазированной антенной решеткой (АФАР) и может найти применение в широком классе РЛС с АФАР, установленных на мобильных платформах различного назначения.The invention relates to the field of radar, specifically to a method for space-time adaptive signal processing in a monopulse shipborne radar (radar) with an active phased antenna array (AFAR) and can be used in a wide class of radars with an AFAR installed on mobile platforms for various purposes.

Ранее /1-14/ при синтезе обнаружителей радиолокационных сигналов считалось, что сигнал и помеха, поступающие на вход приемника РЛС с выхода антенны, являются функциями единственной переменной - времени.Earlier / 1-14 / when synthesizing radar signal detectors it was believed that the signal and interference arriving at the input of the radar receiver from the antenna output are functions of the only variable - time.

Реально /12/ радиолокационный сигнал является электромагнитной волной, зависящей как от времени, так и от координат пространства. Особое значение эта зависимость имеет при приеме сигналов АФАР. Наличие пространственных параметров сигнала цели и их отличие от аналогичных параметров помех позволяет осуществлять эффективную селекцию (выделение) сигналов на фоне помех и значительно повысить качество обнаружения полезных радиолокационных сигналов. Задача пространственно-временной обработки заключается в поиске алгоритмов и реализующих их архитектур оптимальной обработки пространственно-временных сигналов на фоне помех.In reality / 12 / a radar signal is an electromagnetic wave that depends on both time and space coordinates. This dependence is of particular importance when receiving APAR signals. The presence of spatial parameters of the target signal and their difference from similar parameters of interference allows for effective selection (isolation) of signals against the background of interference and significantly improve the quality of detection of useful radar signals. The task of space-time processing is to search for algorithms and architectures that implement them for optimal processing of space-time signals against the background of interference.

При байесовской процедуре синтеза оптимального весового вектора обработки, связанной с обращением ковариационной матрицы помех, алгоритм становится существенно неустойчивым к погрешностям производимых вычислений. Это обстоятельство вынуждает искать альтернативные способы фильтрации, не требующие обращения плохо обусловленных матриц.With the Bayesian procedure for the synthesis of the optimal processing weight vector, associated with inversion of the noise covariance matrix, the algorithm becomes significantly unstable to the errors of the calculations performed. This circumstance forces us to look for alternative filtering methods that do not require inversion of ill-conditioned matrices.

Поиск новых алгоритмов обработки часто связан и с недостатком априорных сведений о статистических характеристиках помех и сигналов. Такая ситуация имеет место при временной обработке радиолокационного сигнала на фоне собственного шума и пассивных внешних помех, порождаемых отражениями от земной, морской поверхности и различных метеообразований. Спектрально-корреляционные свойства этих помех бывают, как правило, известны лишь приблизительно, в результате чего приходится прибегать к их более или менее реалистической аппроксимации и затем на ее основе проводить синтез обработки. Качество получаемой таким способом фильтрации процесса напрямую зависит от степени близости ее структуры к байесовскому алгоритму при наличии полной статистической информации о сигнально-помеховой обстановке.The search for new processing algorithms is often associated with a lack of a priori information about the statistical characteristics of noise and signals. This situation takes place during the temporary processing of the radar signal against the background of its own noise and passive external interference generated by reflections from the earth's and sea surfaces and various meteorological formations. The spectral-correlation properties of these noises are, as a rule, known only approximately, as a result of which one has to resort to their more or less realistic approximation and then, on its basis, carry out the synthesis of processing. The quality of the process filtering obtained in this way directly depends on the degree of closeness of its structure to the Bayesian algorithm in the presence of complete statistical information about the signal-interference environment.

Одним из наиболее перспективных направлений решения проблемы защиты каналов приема от комбинированных помех является формирование глубоких провалов (нулей) в диаграмме направленности (ДН) антенны РЛС.One of the most promising directions for solving the problem of protecting reception channels from combined interference is the formation of deep dips (zeros) in the radiation pattern (DP) of the radar antenna.

Прямые методы адаптации, связанные с обращением или псевдообращением ковариационной матрицы (КМ) помех, состоят в определении весового вектора (амплитудно-фазового распределения) на основе знания КМ помех и направляющего вектора. Операция нахождения весового вектора достаточно трудоемкая, требует относительно больших временных затрат и связана с обращением матрицы или решением системы уравнений. [11]. К прямым алгоритмам относятся алгоритмы непосредственного обращения оценочной КМ помехи, рекуррентного обращения выборочной КМ помехи (непосредственное итерационное уточнение обратной КМ) и алгоритм последовательной декорреляции помехи, основанный на процедуре ортогонализации Грама-Шмидта.Direct adaptation methods associated with inversion or pseudo-inversion of the covariance matrix (CM) of the interference consist in determining the weight vector (amplitude-phase distribution) based on the knowledge of the CM of the noise and the direction vector. The operation of finding the weight vector is rather laborious, requires relatively large time expenditures, and is associated with inverting the matrix or solving a system of equations. [eleven]. Direct algorithms include algorithms for direct inversion of the estimated noise CM, recurrent inversion of the sample noise CM (direct iterative refinement of the inverse CM), and an algorithm for sequential noise decorrelation based on the Gram-Schmidt orthogonalization procedure.

Известно, что при использовании прямых методов вычислений при числе выборок, используемых для оценки КМ, большем удвоенного числа степеней управления, потери в среднем отношении сигнал-помеха при замене матрицы ее выборочной оценкой не превышают 3 дБ. Это существенно (на несколько порядков) меньше, чем при использовании градиентных методов. Важным достоинством прямых методов является независимость скорости сходимости алгоритмов от соотношения мощностей и пространственного распределения источников помех [9,10]. Однако, еще одной важной проблемой является негативное влияние множества отраженных от морской поверхности лучей в радиотехнических системах радиолокации.It is known that when using direct computational methods with the number of samples used to estimate the QM greater than the doubled number of degrees of control, the loss in the average signal-to-noise ratio when replacing the matrix with its sample estimate does not exceed 3 dB. This is significantly (by several orders of magnitude) less than when using gradient methods. An important advantage of direct methods is the independence of the convergence rate of algorithms from the power ratio and the spatial distribution of interference sources [9, 10]. However, another important problem is the negative impact of many rays reflected from the sea surface in radio-technical radar systems.

Пространственно-временная обработка (STAP) является современным развитием методов адаптации диаграмм направленности АФАР, которая одновременно обрабатывает сигналы принятые множеством приемопередающих элементов антенной решетки (пространственная область) и пачки сигналов (временная область) на промежутке когерентного накопления [12].Space-time processing (STAP) is a modern development of methods for adapting directional patterns of APAR, which simultaneously processes signals received by a plurality of transceiver elements of the antenna array (spatial domain) and signal bursts (time domain) in the coherent accumulation interval [12].

Пространственно-временная обработка существенно улучшает возможности РЛС на подвижной платформе. Во-первых, данный метод позволяет обнаруживать объекты с малой скоростью путем улучшения подавления пассивных помех в главном лепестке диаграммы направленности. Во-вторых, STAP позволяет обнаруживать цели с малой эффективной площадью рассеивания, которые маскируются пассивными помехами, принятыми по боковым лепесткам ДН. В-третьих, STAP обеспечивает обнаружение целей в условиях комбинированных активных и пассивных помех. Кроме того, STAP обладает свойством робастности к системным ошибкам и не стационарности помехового фона.Spatio-temporal processing significantly improves the capabilities of radar on a mobile platform. First, this method allows objects to be detected at low speed by improving the suppression of passive interference in the main lobe of the radiation pattern. Secondly, STAP allows detecting targets with a small effective scattering area, which are masked by passive interference received from the side lobes of the pattern. Thirdly, STAP provides target detection in conditions of combined active and passive interference. In addition, STAP has the property of robustness to system errors and non-stationarity of the noise background.

Впервые пространственно-временная обработка в приложении к РЛС была опубликована в работе Brennan и Reed [8] в 1973, в которой описывался оптимальный пространственно-временной фильтр. Развитию методов STAP посвящена работа Klemm [7], с попыткой анализа степеней свободы пассивных помех применительно к РЛС самолетного базирования. Развитие цифровой обработки сигналов создает условия для реализации пространственно-временной адаптивной обработки в реальном времени и как следствие повышение интереса к области STAP. Современные работы по реализации пространственно-временной адаптивной обработки фокусируются, прежде всего, на разработке и исследовании эффективных вычислительных алгоритмов. Одним из направлений в моноимпульсной радиолокации является использование суммарно-разностной STAP на основе пространственно-лучевой после доплеровской фильтрации с разнесенными фильтрами и двухступенчатым занулением.For the first time space-time processing in a radar application was published by Brennan and Reed [8] in 1973, which described the optimal space-time filter. The work of Klemm [7] is devoted to the development of STAP methods, with an attempt to analyze the degrees of freedom of passive interference as applied to an aircraft-based radar. The development of digital signal processing creates conditions for the implementation of space-time adaptive processing in real time and, as a consequence, an increase in interest in the STAP field. Modern work on the implementation of space-time adaptive processing focuses primarily on the development and research of efficient computational algorithms. One of the directions in monopulse radar is the use of the sum-difference STAP based on space-beam after Doppler filtering with spaced filters and two-stage zeroing.

Преимуществами такого подхода следует считать:The advantages of this approach should be considered:

1. Экономическая привлекательность - минимизация количества цифровых приемных каналов. Позволяет существенно повысить надежность и снизить стоимость технического обслуживания за счет упрощения архитектуры и взаимосвязей элементов системы.1. Economic attractiveness - minimization of the number of digital receiving channels. Allows to significantly increase reliability and reduce maintenance costs by simplifying the architecture and interconnections of system elements.

2. Эффективность использования данных - оценка ковариационных матриц выполняется на ограниченной выборке даже в условиях нестационарного окружения в котором другие архитектуры STAP теряют свою эффективность, которую демонстрируют при априорных знаниях статистического распределения плотности пассивных помех.2. Efficiency of data use - the estimation of covariance matrices is performed on a limited sample even in a non-stationary environment in which other STAP architectures lose their efficiency, which they demonstrate with a priori knowledge of the statistical distribution of the passive interference density.

3. Упрощение калибровки каналов - проблема калибровки приемных каналов является основной задачей при построении адаптивных систем с пространственно-временной обработкой, которая связана с согласованием полосы пропускания сигналов и направляющими векторами элементов антенны. Поскольку каналы не идентичны с точки зрения амплитудно-частотных характеристик поэтому пространственно-элементная STAP требует дорогостоящей системы калибровки. Уменьшение пространственных степеней свободы ведет к существенному снижению количества формируемых адаптивных весовых коэффициентов. В противоположность этой архитектуре суммарно-разностная STAP имеет два хорошо структурированных канала и соответствующие направляющие вектора с калибровкой, определяющей положение нуля разностного канала.3. Simplification of channel calibration - the problem of calibration of receiving channels is the main task in the construction of adaptive systems with space-time processing, which is associated with matching the signal bandwidth and direction vectors of the antenna elements. Since the channels are not identical in terms of frequency response, the spatial element STAP requires an expensive calibration system. A decrease in the spatial degrees of freedom leads to a significant decrease in the number of generated adaptive weight coefficients. In contrast to this architecture, the sum-difference STAP has two well-structured channels and corresponding direction vectors with a calibration that defines the zero position of the difference channel.

4. Оптимизация формы диаграммы направленности - адаптивное построение диаграммы направленности может привести к высокому уровню боковых лепестков в угловых положениях свободных от помех и существенной потери коэффициента усиления в основном луче диаграммы направленности и смещению направления главного луча, что ведет к дополнительным избыточным степеням свободы и оценке ассоциированных ошибок. Суммарно-разностная STAP с пространственной степенью свободы равной 1 и положением нуля разностных ДН предполагает однозначное получение желаемой формы ДН в отличие от других архитектур STAP с большим числом степеней свободы.4. Beam shape optimization - adaptive beamforming can lead to high sidelobe levels in interference-free angular positions and significant loss of gain in the main beam of the beam and a shift in the direction of the main beam, which leads to additional redundant degrees of freedom and an estimate of associated mistakes. The sum-difference STAP with the spatial degree of freedom equal to 1 and the zero position of the differential pattern assumes the unambiguous obtaining of the desired pattern of the pattern, unlike other STAP architectures with a large number of degrees of freedom.

5. Уменьшение вычислительной сложности - процесс адаптивной пространственно-временной обработки требует значительных вычислительных мощностей технологической аппаратуры. Суммарно-разностный STAP существенно снижает требования к объему вычислений адаптации.5. Reduction of computational complexity - the process of adaptive space-time processing requires significant computing power of technological equipment. Sum-Difference STAP significantly reduces the amount of adaptation computation required.

6. Возможность применения к существующим моноимпульсным радиолокационным системам - адаптивное подавление пассивных помех в совместном «угол-доплер» пространстве может интегрироваться в существующие РЛС с АФАР или зеркальными антеннами с дополнительной цифровой обработкой разностного канала и модификацией для синтеза разностного канала за счет небольших капитальных вложений при существенном улучшении возможностей по подавлению комбинированных помех.6. Possibility of application to existing monopulse radar systems - adaptive suppression of passive interference in a joint "angle-doppler" space can be integrated into existing radars with AFAR or reflector antennas with additional digital processing of the difference channel and modification for the synthesis of a difference channel due to small capital investments at significant improvement in combined interference suppression capabilities.

Однако существуют ограничения в применении суммарно-разностной адаптивной пространственно-временной обработки, а именно:However, there are limitations in the application of sum-difference adaptive space-time processing, namely:

1. Пространственная неоднозначность - любая двухканальная система имеет существенный недостаток в степенях свободы для эффективного подавления пассивных помех и в любом случае проявляющаяся вследствие низкой частоты повторения импульсов и высоких доплеровских частот пассивных помех при высокой скорости движения несущей платформы РЛС.1. Spatial ambiguity - any two-channel system has a significant drawback in the degrees of freedom for effective suppression of passive interference and in any case manifests itself due to the low pulse repetition rate and high Doppler frequencies of passive interference at a high speed of movement of the carrier platform of the radar.

2. Рассогласование диаграмм направленности - поскольку наличие в разностных диаграммах направленности глубокого минимума в пространстве боковых лепестков суммарной диаграммы направленности приводит к низкой эффективности подавления пассивных помех. Таким образом суммарная и разностные диаграммы направленности должны быть оптимизированы.2. Mismatch of radiation patterns - since the presence in the difference radiation patterns of a deep minimum in the space of side lobes of the total radiation pattern leads to low efficiency of passive interference suppression. Thus, the total and difference radiation patterns must be optimized.

3. Подавление активных помех - подавление активных помех не является функцией суммарно-разностной адаптивной пространственно-временной обработки. Таким образом необходимо предварительное подавление активных помех с организацией вспомогательных каналов.3. Active interference suppression - Active interference suppression is not a function of the sum-difference adaptive space-time processing. Thus, preliminary suppression of active interference with the organization of auxiliary channels is necessary.

4. Ограниченная возможность точности измерений - разностные каналы не свободны от сигналов отражений от пассивных помех. Требуется доплеровская фильтрация помех и целей.4. Limited possibility of measurement accuracy - the difference channels are not free from passive interference reflections. Doppler filtering of interference and targets is required.

По этим причинам необходима разработка способа оптимизации суммарно-разностной адаптивной пространственно-временной обработки радиосигналов в моноимпульсных корабельных РЛС с АФАР, свободных от указанных ограничений.For these reasons, it is necessary to develop a method for optimizing the total-difference adaptive space-time processing of radio signals in monopulse shipborne radars with AFAR, free of these restrictions.

В известном уровне техники таких способов пространственно-временной обработки радиосигналов для подавления активных и пассивных помех не выявлено.In the prior art, such methods of space-time processing of radio signals to suppress active and passive interference have not been identified.

Задачей изобретения является разработка способа пространственно-временной адаптивной обработки сигналов в моноимпульсной корабельной радиолокационной станции с активной фазированной антенной решеткой (АФАР).The objective of the invention is to develop a method for space-time adaptive signal processing in a monopulse shipborne radar with an active phased antenna array (AFAR).

Техническим результатом - повышение степени подавления активных и пассивных помех в моноимпульсных корабельных РЛС с АФАР.The technical result is an increase in the degree of suppression of active and passive interference in monopulse shipborne radars with AFAR.

Сущность изобретения.The essence of the invention.

Решение поставленной задачи и достижение заявленного технического результата обеспечивается тем, что способ пространственно-временной адаптивной обработки сигналов в моноимпульсной корабельной радиолокационной станции с активной фазированной антенной решеткой (АФАР), включает прием радиосигналов от цели на фоне активных и пассивных помех с помощью АФАР. Принятые сигналы преобразуют в цифровую форму. Далее проводят двухступенчатую адаптивную пространственно-временную обработку принятых радиосигналов одновременно по суммарным и разностным каналам. Затем пороговую их обработку и обнаружение цели на фоне активных и пассивных помех. На первой ступени обработки проводят обработку сигналов «активная помеха плюс шум», принятых элементами АФАР и свободных от сигналов пассивных отражений. Формируют пространственно ковариационную матрицу «Ф» обработанных сигналов. По данным матрицы «Ф» создают в цифровой форме адаптивную диаграмму направленности (ДН) АФАР с созданием глубоких нулей в направлении активных помех. Далее на второй ступени адаптивной обработки сигналов подавляют пассивные помехи путем допплеровской фильтрации и многооконной обработки сигналов с помощью адаптивной ДН АФАР, сформированной на этапе подавления активных помех.The solution to the problem and the achievement of the claimed technical result is ensured by the fact that the method of spatio-temporal adaptive signal processing in a monopulse shipborne radar with an active phased antenna array (AFAR) includes receiving radio signals from a target against the background of active and passive interference using an AFAR. The received signals are digitized. Next, a two-stage adaptive space-time processing of the received radio signals is carried out simultaneously through the sum and difference channels. Then their threshold processing and target detection against the background of active and passive interference. At the first stage of processing, the signals "active interference plus noise" are processed, received by the AFAR elements and free from passive reflections. A spatially covariance matrix "F" of the processed signals is formed. According to the data of the "F" matrix, an adaptive directional pattern (DP) of AFAR is created in digital form with the creation of deep zeros in the direction of active interference. Further, at the second stage of adaptive signal processing, passive interference is suppressed by Doppler filtering and multi-window signal processing using the adaptive APAA pattern formed at the stage of suppressing active interference.

Такая пространственно-временная адаптивная двухступенчатая обработка сигналов позволяет последовательно во времени подавить активные помехи и затем использовать результаты первого этапа адаптивной обработки подавить и пассивные помехи. Следствием этого является повышение степени подавления активных и пассивных помех в моноимпульсных корабельных РЛС с АФАР не менее, чем на 15%. Одновременно упрощается алгоритм обработки сигналов и сокращается более, чем в 2 раза время на подавление активных и пассивных помех.Such a space-time adaptive two-stage signal processing allows suppressing active interference in time and then using the results of the first stage of adaptive processing to suppress passive interference. The consequence of this is an increase in the degree of suppression of active and passive interference in monopulse shipborne radars with AFAR by at least 15%. At the same time, the signal processing algorithm is simplified and the time for suppression of active and passive interference is reduced by more than 2 times.

Сущность изобретения поясняется рисунками, представленными на фиг. 1 - фиг. 3.The essence of the invention is illustrated by the drawings shown in FIG. 1 to FIG. 3.

На фиг. 1 - представлена двухступенчатая блок схема адаптивной обработки сигналов по зануленю комбинированных (активных плюс пассивных) помех; на фиг. 2 - блок схема первой ступени адаптивной обработки сигналов по подавлению активных помех; на фиг. 3 - блок схема второй ступени адаптивной обработки сигналов по подавлению пассивных помех.FIG. 1 shows a two-stage block diagram of adaptive signal processing by zeroing combined (active plus passive) interference; in fig. 2 is a block diagram of the first stage of adaptive signal processing to suppress active interference; in fig. 3 is a block diagram of the second stage of adaptive signal processing to suppress passive interference.

Раскрытие сущности изобретенияDisclosure of the essence of the invention

Согласно фиг. 1 - фиг. 3 способ пространственно-временной адаптивной обработки сигналов в моноимпульсной корабельной радиолокационной станции с активной фазированной антенной решеткой (АФАР), включает прием радиосигналов от цели на фоне активных и пассивных помех с помощью АФАР 1. Принятые АФАР 1 сигналы преобразуют в цифровую форму (на фигурах не показано). Далее проводят двухступенчатую 2-3 адаптивную пространственно-временную обработку принятых радиосигналов одновременно по суммарным и разностным каналам. Затем пороговую их обработку и обнаружение цели на фоне активных и пассивных помех. На первой 2 ступени обработки проводят обработку сигналов «активная помеха плюс шум», принятых элементами АФАР и свободных от сигналов пассивных отражений. Формируют 2.2 пространственно ковариационную матрицу «Ф» обработанных сигналов. По данным матрицы «Ф» создают 2.1 в цифровой форме адаптивную диаграмму направленности (ДН) АФАР с созданием глубоких нулей в направлении активных помех. Далее на второй 3 ступени адаптивной обработки сигналов подавляют 3.1 пассивные помехи путем допплеровской фильтрации и многооконной обработки 3.2 сигналов с помощью адаптивной ДН АФАР, сформированной на этапе 2 подавления активных помех.As shown in FIG. 1 to FIG. 3, a method of spatio-temporal adaptive signal processing in a monopulse shipborne radar with an active phased antenna array (AFAR), includes receiving radio signals from a target against a background of active and passive interference using AFAR 1. The signals received by AFAR 1 are converted into digital form (in the figures are not shown). Next, two-stage 2-3 adaptive spatio-temporal processing of the received radio signals is carried out simultaneously along the sum and difference channels. Then their threshold processing and target detection against the background of active and passive interference. At the first 2 stage of processing, the signals "active interference plus noise" received by the AFAR elements and free from passive reflections signals are processed. Form 2.2 spatially covariance matrix "F" of the processed signals. According to the matrix "F" create 2.1 in digital form adaptive directional pattern (DP) AFAR with the creation of deep zeros in the direction of active interference. Further, at the second 3 stages of adaptive signal processing, 3.1 passive interference is suppressed by Doppler filtering and multi-window processing of 3.2 signals using the adaptive APAA pattern formed at stage 2 of suppression of active interference.

Формирование адаптивной диаграммы направленности (ДН) АФАР с созданием глубоких нулей в направлении активных помех проводят на первой 2 ступени обработки в азимутальной и угломестной плоскости путем оконной свертки (фиг. 2) сигналов с использованием коэффициентов распределения Бейлиса.The formation of the adaptive radiation pattern (DP) of the AFAR with the creation of deep zeros in the direction of active interference is carried out at the first 2 stage of processing in the azimuthal and elevation plane by window convolution (Fig. 2) of signals using the Baylis distribution coefficients.

Многооконную обработку сигналов на второй 3 ступени обработки проводят (фиг. 3) с помощью множества параллельных согласованных фильтров 3.2 с последующей когерентной обработкой результатов фильтрации и формированием 3.1 ковариационной матрицы пассивных помех. В свою очередь формирование ковариационной матрицы проводят методом скользящего окна с группированием дискрет матрицы по правилу умножения Кронекера.Multi-window signal processing at the second 3 processing stage is carried out (Fig. 3) using a plurality of parallel matched filters 3.2 with subsequent coherent processing of the filtering results and the formation of 3.1 covariance matrix of passive interference. In turn, the formation of the covariance matrix is carried out by the sliding window method with the grouping of the matrix discrete according to the Kronecker multiplication rule.

На первой 2 ступени адаптивной обработки сигналы вначале подвергают доплеровской фильтрации с помощью банка пространственно-временных фильтров. Фильтры формируют путем каскадирования вычислителей весов пространственного диаграммообразования каждого импульса и временных доплеровских фильтров в каждом сформированном луче. Отфильтрованные сигналы затем адаптивно суммируют для получения выходного отклика отдельного дискрета (бина) частоты Доплера. Процесс выполняют для каждого бина в диапазоне нормированной частоты Доплера. Совместная процедура диаграммообразования и после доплеровской фильтрации когерентной пачки обеспечивает существенное подавление активных помех при условии их предварительной локализации в пространстве до адаптации и последующую адаптацию к пассивным помехам в каждом целевом доплеровском бине.At the first stage 2 of adaptive processing, the signals are first subjected to Doppler filtering using a bank of space-time filters. The filters are formed by cascading the calculators of the weights of the spatial beamforming of each pulse and temporal Doppler filters in each formed beam. The filtered signals are then adaptively summed to obtain the output response of a single Doppler frequency bin. The process is performed for each bin in the range of the normalized Doppler frequency. The joint procedure of beamforming and after the Doppler filtering of the coherent burst provides significant suppression of active interference, provided that they are preliminary localized in space before adaptation and subsequent adaptation to passive interference in each target Doppler bin.

Формально указанная архитектура 3.1 процессора STAP Tm размерностью MN×K для адаптивной обработки m бина (М - количество импульсов в пачке, N - количество элементов АФАР, K - размерность выборки) может быть реализована на основе двух типов, описываемых выражениями (1) и (2).Formally, the specified architecture 3.1 of the STAP T m processor with dimension MN × K for adaptive processing of m bin (M is the number of pulses in a burst, N is the number of APAR elements, K is the dimension of the sample) can be implemented on the basis of two types described by expressions (1) and (2).

Figure 00000001
Figure 00000001

В выражении (1) Fm - M×Kt представляет собой матрицу доплеровских фильтров, а

Figure 00000002
- матрицу диаграммообразования N×Ks, K=KtKs In expression (1) F m - M × K t is the matrix of Doppler filters, and
Figure 00000002
- matrix of diagram formation N × K s , K = K t K s

Данный тип алгоритма (2) обработки 2.1 (фиг. 1 - фиг. 2) сигналов является сепарабельным (разделимым), поскольку содержит множество вычислителей диаграммообразования лучей ДН на каждый импульс пачки и множество доплеровских фильтров в каждом сформированном луче ДН.This type of algorithm (2) processing 2.1 (Fig. 1 - Fig. 2) signals is separable (separable), since it contains a plurality of beamforming calculators for each pulse of the burst and a plurality of Doppler filters in each formed beam of the pattern.

Второй тип алгоритма (2) обработки 2.2 (фиг. 1- фиг. 2) формируется путем выбора некоторого множества выходов сепарабельного процессора, в котором F - М×М, G - N×N, и Jm - MN×K формирующие матрицы подмножеств фильтров в пространстве «угол-доплер».The second type of algorithm (2) processing 2.2 (Fig. 1 - Fig. 2) is formed by choosing a certain set of outputs of a separable processor, in which F - M × M, G - N × N, and J m - MN × K forming matrices of subsets filters in the "angle-doppler" space.

Преобразования в данном алгоритме также сепарабельны поскольку матрицы селекции обладают свойством сепарабельности. Оба типа архитектуры процессоров могут реализовать процедуру двухступенчатого зануления помех.The transformations in this algorithm are also separable since the selection matrices are separable. Both types of processor architectures can implement a two-stage noise cancellation procedure.

На первой 2 ступени обработки сигналов, принятых элементами АФАР 1 (активная помеха плюс шум), свободных от сигналов мешающих отражений оценивается пространственная ковариационная матрица (3At the first 2 stage of processing the signals received by the AFAR 1 elements (active interference plus noise), free from interfering reflections, the spatial covariance matrix is estimated (3

Figure 00000003
Figure 00000003

В каждом субинтервале когерентного накопления, матрица Фjn используется для конструирования адаптивных ДН АФАР 1 с формированием глубоких нулей в направлении активных помех как части общего алгоритма пространственно-лучевого преобразования. На второй 3 ступени результирующий отклик лучей, с подавлением сигналов активных помех используется для адаптации подавления пассивных помех.In each subinterval of coherent accumulation, the matrix Ф jn is used to construct adaptive patterns of the APAR 1 with the formation of deep zeros in the direction of active interference as part of the general algorithm of spatial-ray transformation. In the second stage 3, the resulting beam response, with suppression of active interference signals, is used to adapt the suppression of passive interference.

Результирующие отклики диаграмм направленности лучей с подавлением активной помехи используются затем на второй 3 ступени пространственно-временной обработки подавления пассивных помех.The resulting responses of the active interference cancellation beams are then used in the second stage 3 of the space-time processing of passive interference cancellation.

Figure 00000004
Figure 00000004

где

Figure 00000005
- желаемая ДН АФАР луча при отсутствии активных помех.Where
Figure 00000005
- the desired AFAR beam pattern in the absence of active interference.

Исходя из этих положений предложенный способ реализует двух ступенчатую 2-3 вычислительную архитектуру суммарно-разностной адаптивной обработки на основе реализации оптимизационного метода биологическим алгоритмом квантового поведения популяции частиц.Based on these provisions, the proposed method implements a two-step 2-3 computational architecture of sum-difference adaptive processing based on the implementation of the optimization method by a biological algorithm for the quantum behavior of a population of particles.

Ступень 1 (фиг. 1 - фиг. 2) Синтез адаптивных суммарной и разностных диаграмм направленности АФАР.Stage 1 (Fig. 1 - Fig. 2) Synthesis of adaptive total and difference AFAR directivity patterns.

На этой ступени процесс адаптации суммарной и разностных диаграмм направленности направлен на генерацию оптимальных весовых коэффициентов диаграммообразования с целью минимизации ошибок между требуемым и актуальным принятыми сигналами и максимизации отношения сигнал/шум в направлении визирования с подавлением в направлении помех. Известно множество методов адаптации на основе алгоритмов LMS, СМА, SMI, MVDR, GA, PSO [6]. Сравнительный анализ показывает, что адаптивное диаграммообразование с использованием биологического алгоритма PSO обеспечивает усиление в главном лепестке ДН на уровне 0 дБ с подавлением помех до уровня от -20 дБ до -50 дБ и поддерживает низкий уровень боковых лепестков. Кроме того, основным преимуществом PSO над стохастическими и другими оптимизационными методами является относительная простота, заключающаяся в возможности настройки только оператора скорости для отыскания оптимума функции в гиперпространстве. Известны несколько модификаций классического PSO применительно к антенным решеткам и его комплексированию с другими методами в которых сделаны попытки увеличить скорость сходимости и эффективности поиска экстремума. Однако как было доказано Bergh [6], PSO не гарантирует глобальной сходимости алгоритма в соответствии с выбранным оптимизационным критерием.At this stage, the process of adapting the total and difference radiation patterns is aimed at generating optimal beamforming weights in order to minimize errors between the required and actual received signals and maximize the signal-to-noise ratio in the direction of sight with suppression in the direction of interference. Many adaptation methods are known based on algorithms LMS, CMA, SMI, MVDR, GA, PSO [6]. Comparative analysis shows that adaptive beamforming using the PSO biological algorithm provides 0 dB gain in the main lobe of the pattern with interference rejection down to -20 dB to -50 dB and maintains low side lobes. In addition, the main advantage of PSO over stochastic and other optimization methods is the relative simplicity, which consists in the ability to tune only the velocity operator to find the optimum of a function in hyperspace. Several modifications of the classical PSO are known in relation to antenna arrays and its integration with other methods in which attempts are made to increase the convergence rate and the efficiency of searching for an extremum. However, as was proved by Bergh [6], PSO does not guarantee the global convergence of the algorithm in accordance with the chosen optimization criterion.

Рассматривается плоская антенная решетка 1 с границами лежащими в плоскости xy, координаты каждого элемента (подрешетки) АФАР 1 соответствуютA plane antenna array 1 with boundaries lying in the xy plane is considered, the coordinates of each element (subarray) of the AFAR 1 correspond to

Figure 00000006
Figure 00000006

где dx=dy=d - расстояние между элементами (подрешетками). Тогда множитель антенной решетки определяется известным выражениемwhere d x = d y = d is the distance between elements (sublattices). Then the antenna array factor is determined by the well-known expression

Figure 00000007
Figure 00000007

где Imn - коэффициенты возбуждения и

Figure 00000008
where I mn are the excitation coefficients and
Figure 00000008

Формирование суммарной диаграммы направленности выполняют с использованием вещественных числовых коэффициентов разложения ряда ТейлораThe formation of the total radiation pattern is performed using the real numerical coefficients of the Taylor series expansion

Figure 00000009
Figure 00000009

Формирование разностных диаграмм направленности в азимутальной и угломестной плоскости выполняется с использованием коэффициентов распределения БейлисаThe formation of difference radiation patterns in the azimuth and elevation planes is performed using the Baylis distribution coefficients

Figure 00000010
Figure 00000010

И из условия симметричностиAnd from the condition of symmetry

Figure 00000011
Figure 00000011

Основываясь на положении квантовой механики и траектории движения частиц в алгоритме PSO (Particle Swarm Optimization) [5] используется новый предложенный вариант PSO - PSO с квантовоподобным поведением частиц движущихся в многопараметрическом поисковом пространстве с вектором скорости динамически изменяемым согласно наличию собственной информации и взаимодействию с другими частицами QPSO (Quantum Behaved Particle Swarm Optimization) [3].Based on the position of quantum mechanics and the trajectory of particle motion in the PSO (Particle Swarm Optimization) algorithm [5], a new proposed version of PSO is used - PSO with quantum-like behavior of particles moving in a multiparameter search space with a velocity vector dynamically changing according to the presence of their own information and interaction with other particles QPSO (Quantum Behaved Particle Swarm Optimization) [3].

Алгоритм QPSO обладает некоторыми характеристиками, которые отличны от PSO и делают его более привлекательным с точки зрения адаптации ДН АФАР. Во-первых, введение экспоненциального распределения позиций частиц приводит к глобальной сходимости алгоритма. Во-вторых, дополнение в виде среднего наилучшей позиции является явным улучшением QPSO. В классическом PSO каждая частица стремится к глобальной наилучшей позиции без внимания к движению остальных частиц популяции. В алгоритме QPSO с наличием среднего наилучшей позиции популяция частиц никогда не покидает отстающую от оптимизационного движения частицу, что существенно ближе соответствует интеллектуальному поведению социума и увеличивает оптимизационную эффективность QPSO многократно.The QPSO algorithm has some characteristics that are different from PSO and make it more attractive from the point of view of adapting the APAR DN. First, the introduction of an exponential distribution of particle positions leads to global convergence of the algorithm. Second, the addition of the best average position is a clear improvement in QPSO. In the classical PSO, each particle tends to the global best position without regard to the movement of the rest of the population. In the QPSO algorithm with the presence of the average best position, the population of particles never leaves the particle lagging behind the optimization movement, which is much closer to the intellectual behavior of society and increases the optimization efficiency of QPSO many times over.

Таким образом, каждая отдельная частица представляется элементарной частицей движущейся в квантовом пространстве и вероятность нахождения частицы на позиции пространства

Figure 00000012
при выполнении вычислений на итерации t определяется выбранной функцией плотности вероятности |ψ(х,t)|2, форма которой определяет потенциальное поле нахождения частицы. В соответствии с методом Монте Карло частица движется по следующим правилам, описываемым выражениями (10-12)Thus, each individual particle is represented by an elementary particle moving in quantum space and the probability of finding a particle in the position of space
Figure 00000012
when performing calculations at iteration t is determined by the selected probability density function | ψ (x, t) | 2 , the shape of which determines the potential field of the particle. In accordance with the Monte Carlo method, the particle moves according to the following rules described by expressions (10-12)

Figure 00000013
Figure 00000013

если randν≥0.5if randν≥0.5

Figure 00000014
Figure 00000014

если randν<0.5,if randν <0.5,

гдеWhere

Figure 00000015
Figure 00000015

параметр α определяет коэффициент сжатия-растяжения,

Figure 00000016
и randν - случайные числа равномерно распределенные в интервале [0,1], mbest - глобальная виртуальная точка называемая главным направлением или средним наилучшим, вычисляемым по формулеparameter α defines the compression-tension ratio,
Figure 00000016
and randν are random numbers uniformly distributed in the interval [0,1], mbest is a global virtual point called the main direction or the best average calculated by the formula

Figure 00000017
Figure 00000017

Коэффициент сжатия растяжения изменяется во времени по правилу, представленному отношением (14)The tensile compression ratio changes over time according to the rule represented by the ratio (14)

Figure 00000018
Figure 00000018

где α0 и α1 - начальное и конечное значение α соответственно, Т - максимальное значение вычислительных итераций, t - номер текущей итерации поиска экстремума. Сходимость алгоритма достигается в случае когда каждая частица оказывается в своей локальной точке притяжения pi=(pi,1, pi,2, …, pi,D), координаты которых для каждой итерации определяются выражениемwhere α 0 and α 1 are the initial and final values of α, respectively, T is the maximum value of computational iterations, t is the number of the current iteration of the search for an extremum. The convergence of the algorithm is achieved when each particle is at its local point of attraction p i = (p i, 1 , p i, 2 , ..., p i, D ), the coordinates of which for each iteration are determined by the expression

Figure 00000019
Figure 00000019

где

Figure 00000020
c1 и с2 - два положительных коэффициента ускорения движения частицы,
Figure 00000021
и
Figure 00000022
- два случайных числа равномерно распределенных на интервале [0,1].Where
Figure 00000020
c 1 and c 2 are two positive coefficients of acceleration of the particle motion,
Figure 00000021
and
Figure 00000022
- two random numbers evenly distributed on the interval [0,1].

Процедура применения QPSO к процессу адаптации суммарной и разностных диаграмм направленности АФАР 1 на первой стадии к комбинированному помеховому фону выполняется независимо в суммарном и разностных ДН в соответствии с итерационным алгоритмом оптимизации и максимальным количеством итераций 50.The procedure for applying QPSO to the process of adapting the total and difference directional patterns of AFAR 1 at the first stage to the combined noise background is performed independently in the total and difference pattern in accordance with the iterative optimization algorithm and the maximum number of iterations 50.

Функции приспособленности с одной стороны задают из условия обеспечения максимального отношения сигнал шум в направлении визирования суммарной ДН с другой стороны минимизации выходной мощности с ограничениями усиления в разностных ДН. А именно, для суммарного канала:The fitness functions, on the one hand, are set from the condition of ensuring the maximum signal-to-noise ratio in the direction of sighting of the total RP, on the other hand, minimizing the output power with restrictions on the gain in the differential RP. Namely, for the total channel:

Figure 00000023
Figure 00000023

для разностных каналов:for difference channels:

Figure 00000024
Figure 00000024

где w - независимые весовые коэффициенты в суммарном и разностных азимутальном и угломестном каналах, R - статистическая оценка ковариационной матрицы с процедурой диагонального подшумления в интервале, предшествующем излучению зондирующего импульса, v - направляющий вектор с учетом амплитудного взвешивания коэффициентами Тейлора А и Бейлиса [BE, BH]. Таким образом выполняется процедура подавления активной помехи с использованием без ограничения степеней свободы для каждого периода повторения импульсов.where w are independent weight coefficients in the total and difference azimuth and elevation channels, R is the statistical estimate of the covariance matrix with the diagonal noise procedure in the interval preceding the emission of the probe pulse, v is the direction vector taking into account the amplitude weighting by the Taylor A and Baylis coefficients [B E , B H ]. Thus, a procedure for suppressing active interference is performed using without limitation the degrees of freedom for each pulse repetition period.

Сигналы суммарного и разностных каналов обрабатываются во всем возможном диапазоне доплеровских частот согласованными фильтрами по методу оконной свертки БПФ перекрытия с добавлением (overlap-add) [4]. В предлагаемой системе общее количество в каждом канале параллельных доплеровских фильтров равно K=2М+1, в котором MF0 - соответствует согласованной фильтрации сигнала с нулевым доплеровским сдвигом частоты, MF1 - для сигнала с доплеровским сдвигом F1 и MFM для доплеровского сдвига FM. Поскольку направление движения цели априорно неизвестно фильтры выстраиваются симметрично относительно F0, то есть имеется фильтр как для Fk так и для F-k k=1,2…M.The signals of the sum and difference channels are processed in the entire possible range of Doppler frequencies by matched filters using the overlap-add FFT windowed convolution method [4]. In the proposed system, the total number of parallel Doppler filters in each channel is equal to K = 2M + 1, in which MF 0 - corresponds to matched filtering of a signal with zero Doppler frequency shift, MF 1 - for a signal with a Doppler shift F 1 and MF M for a Doppler shift F M. Since the direction of movement of the target is a priori unknown, the filters are arranged symmetrically with respect to F 0 , that is, there is a filter for both F k and F -k k = 1.2 ... M.

Ступень 2 (фиг. 1 - фиг. 3). После доплеровская адаптивная суммарно-разностная пространственно-временная обработка.Stage 2 (Fig. 1 - Fig. 3). Post-Doppler adaptive sum-difference space-time processing.

Используют многооконную после доплеровскую STAP 3.1, включающую множество параллельных согласованных фильтров в обработке пачки импульсных эхо сигналов в каждом канале [2]. Каждый фильтр в каналах представляет окно для Kt субитервалов для интервала когерентного накопления М. Процесс адаптации оперирует с небольшим Kt субитервалом из Ks откликов суммарного и разностных каналов. Таким образом размерность задачи определяется размерностью в K=KsKt и составляет Ks=3 и Kt<<M (Kt выбирается в пределах 2-4), чем собственно и достигается существенное сокращение размерности. Процессор после каждого согласованного фильтра производит конвейерную адаптацию раздельно для каждого субинтервала с последующей когерентной обработкой результатов всех импульсов субитервалов (0 : Kt-1,1 : Kt,…,M-Kt : M-1). Вектор весовых коэффициентов для каждого субинтервала т вычисляется по формуле для критерия максимизации отношения сигнал шумA multi-window post-Doppler STAP 3.1 is used, which includes a plurality of parallel matched filters in processing a burst of impulse echo signals in each channel [2]. Each filter in the channels represents a window for K t sub-slots for the coherent accumulation interval M. The adaptation process operates with a small K t sub-slot of K s sum and difference channel responses. Thus, the dimension of the problem is determined by the dimension in K = K s K t and is K s = 3 and K t << M (K t is selected in the range 2-4), which actually achieves a significant reduction in dimension. The processor, after each matched filter, performs pipelined adaptation separately for each subinterval with subsequent coherent processing of the results of all impulses of sub-intervals (0: K t -1,1: K t , ..., MK t : M-1). The vector of weight coefficients for each subinterval m is calculated by the formula for the criterion for maximizing the signal-to-noise ratio

Figure 00000025
Figure 00000025

где

Figure 00000026
- выборочная ковариационная матрица пассивных помех размерностью KsKt×KsKt, равнаяWhere
Figure 00000026
is the sample covariance matrix of passive interference with dimension K s K t × K s K t , equal to

Figure 00000027
Figure 00000027

Выборка χ1 покрывает дискреты интервала дальности окружающие анализируемый дискрет, за исключением самого дискрета и смежных предшествующих, и последующих защитных дискрет

Figure 00000028
Для всех анализируемых дискрет приемного строба для сокращения объема вычислений ковариационная матрица оценивается методом скользящего окна с группированием [1].The χ 1 sample covers the range intervals surrounding the sample being analyzed, with the exception of the sample itself and adjacent preceding and subsequent protection samples
Figure 00000028
For all analyzed discrete receiving strobe to reduce the amount of calculations, the covariance matrix is estimated by the sliding window method with grouping [1].

Вектор

Figure 00000029
- вычисляется по правилу умножения КронекераVector
Figure 00000029
- calculated according to Kronecker's multiplication rule

Figure 00000030
Figure 00000030

где w=ƒdTr - произведение значения частоты Доплера отклика согласованного фильтра на частоту повторения импульсов.where w = ƒ d T r is the product of the Doppler frequency of the response of the matched filter and the pulse repetition rate.

Результаты адаптивной обработки ступени 2 далее в блоке 4 детектируют и передают на пороговую обработку сигналов с постоянной вероятностью ложных тревог (на фигурах не показано). В результате пороговой обработки обнаруживаются полезные сигналы от цели, свободные от активных и пассивных помех. Далее обнаруженные сигналы от цели передаются на траекторную обработку и отображаются на экране РЛС.The results of the adaptive processing of stage 2 are then detected in block 4 and transmitted to the threshold processing of signals with a constant probability of false alarms (not shown in the figures). As a result of thresholding, useful signals from the target are detected, free of active and passive interference. Further, the detected signals from the target are transmitted to trajectory processing and displayed on the radar screen.

Промышленная применимостьIndustrial applicability

Изобретение разработано на уровне математической модели пространственно-временной адаптивной обработки сигналов для моноимпульсной корабельной радиолокационной станции (РЛС) с активной фазированной антенной решеткой (АФАР).The invention was developed at the level of a mathematical model of space-time adaptive signal processing for a monopulse shipborne radar (radar) with an active phased antenna array (AFAR).

Разрабатывается технологический образец устройства, реализующего предлагаемый способ адаптивной обработки сигналовA technological sample of a device that implements the proposed method of adaptive signal processing is being developed

ЛитератураLiterature

1. Yoshinari Iwakura, Junichiro Suzuki, Hiroyoshi Yamada, An Efficient Sliding Window Processing for the Covariance Matrix Estimation, Graduate School of Science and Technology, Niigata University. Japan 20061. Yoshinari Iwakura, Junichiro Suzuki, Hiroyoshi Yamada, An Efficient Sliding Window Processing for the Covariance Matrix Estimation, Graduate School of Science and Technology, Niigata University. Japan 2006

2. S.D. Blunt. J. Jakabosky, J. Metcalf, J. Stiles, B. Himed, "Multiwaveform STAP," IEEE Radar Conf., Ottawa, Canada, Apr.-May 2013.2. S.D. Blunt. J. Jakabosky, J. Metcalf, J. Stiles, B. Himed, "Multiwaveform STAP," IEEE Radar Conf., Ottawa, Canada, Apr.-May 2013.

3. L.D. Coelho, A quantum particle swarm optimizer with chaotic mutation operator, Chaos, Solitons and Fractals 37 (2008).3. L.D. Coelho, A quantum particle swarm optimizer with chaotic mutation operator, Chaos, Solitons and Fractals 37 (2008).

4. Selesnick, I.W. & Burrus, C.S. "Fast Convolution and Filtering"Digital Signal Processing Handbook Ed. Vijay K. Madisetti and Douglas B. WilliamsBoca Raton: CRC Press LLC, 19994. Selesnick, I.W. & Burrus, C.S. "Fast Convolution and Filtering" Digital Signal Processing Handbook Ed. Vijay K. Madisetti and Douglas B. Williams Boca Raton: CRC Press LLC, 1999

5. J. Kennedy, R. Mendes, Population structure and particle swarm performance, 2002, pp. 1671-1676.5. J. Kennedy, R. Mendes, Population structure and particle swarm performance, 2002, pp. 1671-1676.

6. M. Rangaswamy, F. Lin, and K. Gerlach, "Robust adaptive signal processing methods for heterogeneousradar clutter scenarios", Signal Processing, vol. 84, pp. 1653-1665,2004.6. M. Rangaswamy, F. Lin, and K. Gerlach, "Robust adaptive signal processing methods for heterogeneous radar clutter scenarios", Signal Processing, vol. 84, pp. 1653-1665,2004.

7. KLEMM, R.: 'Principles of space-time adaptive processing' (IEE Publishing, London, UK, 2002, 2nd edn.)7. KLEMM, R .: 'Principles of space-time adaptive processing' (IEE Publishing, London, UK, 2002, 2nd edn.)

8. BRENNAN, L.E. and REED, L.S.: 'Theory of Adaptive Radar', IEEE Trans.Aerosp. Electron. Syst, March 1973, 9, pp. 237-2528. BRENNAN, L.E. and REED, L.S.: 'Theory of Adaptive Radar', IEEE Trans. Aerosp. Electron. Syst, March 1973, 9, pp. 237-252

9. Трифонов А.П. Совместное различение сигналов и оценка их параметров/Трифонов А.П., Шинаков Ю.С. - М.: Радио и связь, 1986. - 266 с.9. Trifonov A.P. Joint discrimination of signals and assessment of their parameters / Trifonov A.P., Shinakov Yu.S. - M .: Radio and communication, 1986 .-- 266 p.

10. Караваев В.В. Статистическая теория пассивной локации / Караваев В.В., Сазонов В.В. - М.: Радио и связь, 1987. - 237 с.10. Karavaev V.V. Statistical theory of passive location / Karavaev V.V., Sazonov V.V. - M .: Radio and communication, 1987 .-- 237 p.

11. Пространственно-временная обработка сигналов / Кремер И.Я., Кремер А.И., Петров В.М. и др.; Под ред. Кремера И.Я. - М.: Радио и связь, 1984. - 224 с.11. Spatial-temporal signal processing / Kremer I.Ya., Kremer A.I., Petrov V.M. and etc.; Ed. Kremer I. Ya. - M .: Radio and communication, 1984 .-- 224 p.

12. Волосюк В.К., Гуляев Ю.В. и др. Современные методы оптимальной обработки пространственно-временных сигналов в активных, пассивных и комбинированных активно-пассивных радиотехнических системах // Радиотехника и электроника, 2014, том 59, №2, с. 109-131.12. Volosyuk V.K., Gulyaev Yu.V. and others. Modern methods of optimal processing of spatio-temporal signals in active, passive and combined active-passive radio engineering systems // Radio engineering and electronics, 2014, volume 59, no. 2, p. 109-131.

13. США, патент № US 9971027 B1, G01S 13/5244, G01S 7/2813, G01S 13/5246, Н04В 7/0848;13. US Patent No. US 9971027 B1, G01S 13/5244, G01S 7/2813, G01S 13/5246, H04B 7/0848;

14. США, патент № US 6720910 В2, G01S 13/52, G01S 13/0014. USA, patent No. US 6720910 B2, G01S 13/52, G01S 13/00

Claims (4)

1. Способ пространственно-временной адаптивной обработки сигналов в моноимпульсной корабельной радиолокационной станции с активной фазированной антенной решеткой (АФАР), характеризующийся тем, что с помощью АФАР принимают радиосигналы от цели на фоне активных и пассивных помех, преобразуют принятые сигналы в цифровую форму, далее осуществляют адаптивную двухступенчатую пространственно-временную обработку цифровых сигналов одновременно по суммарным и разностным каналам, их пороговую обработку и обнаружение цели на фоне помех, причем на первой ступени адаптивной обработки проводят обработку сигналов «активная помеха плюс шум», принятых элементами АФАР и свободных от сигналов пассивных отражений, далее формируют пространственно-ковариационную матрицу «Ф» обработанных сигналов, по данным матрицы «Ф» формируют в цифровой форме адаптивную диаграмму направленности (ДН) АФАР с созданием глубоких нулей в направлении активных помех, затем на второй ступени адаптивной обработки сигналов подавляют пассивные помехи путем допплеровской фильтрации и многооконной обработки сигналов адаптивной ДН АФАР, сформированной на первой ступени обработки сигналов.1. A method of spatio-temporal adaptive signal processing in a monopulse shipborne radar with an active phased antenna array (AFAR), characterized by the fact that using the AFAR, radio signals are received from the target against the background of active and passive interference, the received signals are converted into digital form, and then adaptive two-stage spatio-temporal processing of digital signals simultaneously through the sum and difference channels, their threshold processing and target detection against the background of interference, and at the first stage of adaptive processing, signals are processed "active interference plus noise" received by the AESA elements and free from passive reflections , then the spatial covariance matrix "Ф" of the processed signals is formed, according to the data of the matrix "Ф", the adaptive directional pattern (DP) of the AFAR is formed in digital form with the creation of deep zeros in the direction of active interference, then at the second stage of adaptive signal processing they suppress passive interference by Doppler filtering and multi-window signal processing of the adaptive APAA pattern formed at the first stage of signal processing. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что формирование адаптивной диаграммы направленности (ДН) АФАР с созданием глубоких нулей в направлении активных помех проводят на первой ступени обработки в азимутальной и угломестной плоскости путем оконной свертки сигналов с использованием коэффициентов распределения Бейлиса.2. The method according to claim 1, characterized in that the formation of the adaptive radiation pattern (DP) of the AFAR with the creation of deep zeros in the direction of active interference is carried out at the first stage of processing in the azimuthal and elevation planes by means of window convolution of signals using the Baylis distribution coefficients. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что многооконную обработку сигналов на второй ступени обработки проводят с помощью множества параллельных согласованных фильтров с последующей когерентной обработкой результатов фильтрации и формированием ковариационной матрицы пассивных помех.3. A method according to claim 1, characterized in that the multi-window signal processing at the second processing stage is carried out using a plurality of parallel matched filters, followed by coherent processing of the filtering results and the formation of a covariance matrix of passive interference. 4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что формирование ковариационной матрицы проводят методом скользящего окна с группированием дискрет матрицы по правилу умножения Кронекера.4. The method according to claim 3, characterized in that the formation of the covariance matrix is carried out by the sliding window method with the grouping of the matrix discrete according to the Kronecker multiplication rule.
RU2018144308A 2018-12-14 2018-12-14 Method for spatio-temporal adaptive signal processing in a monopulse shipborne radar with an active phased antenna array RU2735216C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018144308A RU2735216C2 (en) 2018-12-14 2018-12-14 Method for spatio-temporal adaptive signal processing in a monopulse shipborne radar with an active phased antenna array

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018144308A RU2735216C2 (en) 2018-12-14 2018-12-14 Method for spatio-temporal adaptive signal processing in a monopulse shipborne radar with an active phased antenna array

Publications (3)

Publication Number Publication Date
RU2018144308A RU2018144308A (en) 2020-06-16
RU2018144308A3 RU2018144308A3 (en) 2020-09-22
RU2735216C2 true RU2735216C2 (en) 2020-10-28

Family

ID=71095443

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018144308A RU2735216C2 (en) 2018-12-14 2018-12-14 Method for spatio-temporal adaptive signal processing in a monopulse shipborne radar with an active phased antenna array

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2735216C2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2773648C1 (en) * 2021-01-12 2022-06-06 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский военный ордена Жукова институт войск национальной гвардии Российской Федерации" Method for digital generation of antenna pattern of an active phased antenna array when emitting and receiving linear frequency-modulated signals

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111913157B (en) * 2020-08-17 2023-07-14 西安空间无线电技术研究所 Sea clutter suppression method based on radar signal space-time decorrelation model
CN112881986B (en) * 2021-01-15 2022-08-23 电子科技大学 Radar slice storage forwarding type interference suppression method based on optimized depth model
CN113311397B (en) * 2021-05-25 2023-03-10 西安电子科技大学 Large array rapid self-adaptive anti-interference method based on convolutional neural network
CN114966568B (en) * 2022-05-25 2024-06-25 西安电子科技大学 Space-time adaptive processing method for weight vector time-varying even acceleration flying radar

Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6252540B1 (en) * 1999-12-21 2001-06-26 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Air Force Apparatus and method for two stage hybrid space-time adaptive processing in radar and communication systems
US6720910B2 (en) * 2001-08-16 2004-04-13 Lockheed Martin Corporation Pri-staggered post-doppler adaptive monopulse processing for detection and location of a moving target in ground clutter
CN102288949A (en) * 2011-05-13 2011-12-21 中国民航大学 Optimal processor based maneuvering target detection method
RU2455658C1 (en) * 2011-02-17 2012-07-10 Федеральное государственное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военный авиационный инженерный университет" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации Method for adaptive spatial compensation of noise during monopulse amplitude integral-differential direction finding
RU2456631C1 (en) * 2011-02-17 2012-07-20 Федеральное государственное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военный авиационный инженерный университет" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации Method for adaptive spatial compensation of interference during monopulse amplitude integral-differential direction finding and presence of receiving channel calibration errors
CN103439692A (en) * 2013-09-01 2013-12-11 西安电子科技大学 STAP method based on wide symmetrical characteristic of covariance matrix
CN103728607A (en) * 2014-01-16 2014-04-16 西安电子科技大学 Space time code three-dimensional self-adaptation clutter cancelling method for onboard multiple input multiple output (MIMO) radar
RU2513868C2 (en) * 2012-06-14 2014-04-20 4 Центральный научно-исследовательский институт Министерства обороны Российской Федерации (4 ЦНИИ Минобороны России) Method for scanning pulsed doppler radar location of targets on passive jamming background
RU2593276C1 (en) * 2015-08-04 2016-08-10 Акционерное общество "Федеральный научно-производственный центр "Нижегородский научно-исследовательский институт радиотехники" Method of selecting moving targets
RU2609792C1 (en) * 2015-11-09 2017-02-03 Евгений Николаевич Мищенко Method of processing signals in modular adaptive antenna array during reception of correlated signals and interference
RU2629921C1 (en) * 2016-04-19 2017-09-04 Алексей Вадимович Литвинов Method of adaptive signal processing in modular phase antenna lattice
US9971027B1 (en) * 2017-11-10 2018-05-15 Helios Remote Sensing Systems, Inc. Methods and systems for suppressing clutter in radar systems

Patent Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6252540B1 (en) * 1999-12-21 2001-06-26 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Air Force Apparatus and method for two stage hybrid space-time adaptive processing in radar and communication systems
US6720910B2 (en) * 2001-08-16 2004-04-13 Lockheed Martin Corporation Pri-staggered post-doppler adaptive monopulse processing for detection and location of a moving target in ground clutter
RU2455658C1 (en) * 2011-02-17 2012-07-10 Федеральное государственное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военный авиационный инженерный университет" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации Method for adaptive spatial compensation of noise during monopulse amplitude integral-differential direction finding
RU2456631C1 (en) * 2011-02-17 2012-07-20 Федеральное государственное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военный авиационный инженерный университет" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации Method for adaptive spatial compensation of interference during monopulse amplitude integral-differential direction finding and presence of receiving channel calibration errors
CN102288949A (en) * 2011-05-13 2011-12-21 中国民航大学 Optimal processor based maneuvering target detection method
RU2513868C2 (en) * 2012-06-14 2014-04-20 4 Центральный научно-исследовательский институт Министерства обороны Российской Федерации (4 ЦНИИ Минобороны России) Method for scanning pulsed doppler radar location of targets on passive jamming background
CN103439692A (en) * 2013-09-01 2013-12-11 西安电子科技大学 STAP method based on wide symmetrical characteristic of covariance matrix
CN103728607A (en) * 2014-01-16 2014-04-16 西安电子科技大学 Space time code three-dimensional self-adaptation clutter cancelling method for onboard multiple input multiple output (MIMO) radar
RU2593276C1 (en) * 2015-08-04 2016-08-10 Акционерное общество "Федеральный научно-производственный центр "Нижегородский научно-исследовательский институт радиотехники" Method of selecting moving targets
RU2609792C1 (en) * 2015-11-09 2017-02-03 Евгений Николаевич Мищенко Method of processing signals in modular adaptive antenna array during reception of correlated signals and interference
RU2629921C1 (en) * 2016-04-19 2017-09-04 Алексей Вадимович Литвинов Method of adaptive signal processing in modular phase antenna lattice
US9971027B1 (en) * 2017-11-10 2018-05-15 Helios Remote Sensing Systems, Inc. Methods and systems for suppressing clutter in radar systems

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2773648C1 (en) * 2021-01-12 2022-06-06 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский военный ордена Жукова институт войск национальной гвардии Российской Федерации" Method for digital generation of antenna pattern of an active phased antenna array when emitting and receiving linear frequency-modulated signals

Also Published As

Publication number Publication date
RU2018144308A (en) 2020-06-16
RU2018144308A3 (en) 2020-09-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2735216C2 (en) Method for spatio-temporal adaptive signal processing in a monopulse shipborne radar with an active phased antenna array
EP3589970B1 (en) Method and system for obtaining an adaptive angle-doppler ambiguity function in mimo radars
Klemm Adaptive airborne MTI: an auxiliary channel approach
Tsakalides et al. Robust space–time adaptive processing (STAP) in non-Gaussian clutter environments
Degurse et al. Reduced-rank STAP for target detection in heterogeneous environments
Wang et al. Manoeuvring target detection in over-the-horizon radar using adaptive clutter rejection and adaptive chirplet transform
Su et al. Adaptive beamforming for nonstationary HF interference cancellation in skywave over-the-horizon radar
CA2082692A1 (en) Adaptive digital beamforming architecture and algorithm for nulling mainlobe and multiple sidelobe radar jammers while preserving monopulse ratio angle estimation accuracy
EP1167995B1 (en) Matrix monopulse ratio radar processor for two target azimuth and elevation angle determination
Hussain et al. Target parameter estimation in reduced dimension stap for airborne phased array radar
CN109765529B (en) Millimeter wave radar anti-interference method and system based on digital beam forming
US5907302A (en) Adaptive elevational scan processor statement of government interest
Rabideau Clutter and jammer multipath cancellation in airborne adaptive radar
Patra et al. A comparison between different adaptive beamforming techniques
Elgamel et al. Empirical mode decomposition-based monopulse processor for enhanced radar tracking in the presence of high-power interference
Hiemstra Robust implementations of the multistage Wiener filter
Nickel Radar target parameter estimation with array antennas
Wen-long et al. Ionospheric clutter mitigation for high-frequency surface-wave radar using two-dimensional array and beam space processing
Navrátil et al. Demonstration of space-time adaptive processing for DSI suppression in a passive radar
Vijaykumar Mahamuni Space-time adaptive processing techniques (STAP) for mitigation of jammer interference and clutter suppression in airborne radar systems: A MATLAB implementation-based study
CN112612007B (en) Super-sparse array airborne radar moving target distance de-blurring method based on near field effect
Zenghui et al. Local degrees of freedom of clutter for airborne space–time adaptive processing radar with subarrays
Guan et al. A CFAR detector for MIMO array radar based on adaptive pulse compression-Capon filter
Mecca et al. Slow-time MIMO spacetime adaptive processing
Pandey et al. Space Time Adaptive Processing for High Signal to Clutter Ratio Target's Detection Radar System

Legal Events

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

Effective date: 20201215