RU2814220C1

RU2814220C1 - Способ обнаружения и оценивания характеристик широкополосных сигналов и устройство для его реализации

Info

Publication number: RU2814220C1
Application number: RU2023117750A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Сергеевич Благов; Александр Николаевич Божьев; Константин Валерьевич Карабешкин; Александр Сергеевич Наумов; Павел Леонидович Смирнов; Дмитрий Владимирович Царик; Олег Владимирович Царик; Федор Викторович Шитиков
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Специальный Технологический Центр" (ООО "СТЦ")
Filing date: 2023-07-04
Publication date: 2024-02-28

Abstract

Группа изобретений относится к области радиотехники и может быть использована для обнаружения и измерения основных характеристик широкополосных сигналов (ШПС). Техническим результатом является реализация функций обнаружения и оценивания характеристик априорно неизвестных ШПС и повышение точности измерения его пространственных параметров: пеленга θ и угла места β. В заявленном способе выполняют одновременное синхронное преобразование принятых N-канальным радиоприемным устройством сигналов S(t) на промежуточную частоту с последующим преобразованием в цифровую форму, получение с помощью преобразования Фурье спектральных характеристик сигнала для каждого из N каналов приема в полосе одновременного обзора с шагом дискретизации f₀, накопление по каждой частотной составляющей и каждому N-му каналу приема М непрерывных по времени отсчетов сигнала, которые делят на К участков К=M/L, и на каждом интервале К отсчетов сигнала каждой частотной позиции для сигналов всех N каналов приема рассчитывают взаимнокорреляционную функцию (ВКФ) с сигналами n-го опорного канала, n=1, 2, …, N, который назначают по максимальному значению средней амплитуды сигнала на интервале К отсчетов. На основе набора значений определяют направление {θ, β} на источник сигнала на i-й частоте в j-й момент времени путем расчета нормированной ВКФ d(θ_r, β_m) между измеренными и эталонными значениями для всех возможных азимутальных и угломестных направлений с последующим поиском нормированной ВКФ d(θ_r, β_m) с максимальным значением, аргумент которой соответствует наиболее вероятному направлению прихода сигнала. Определяют непрерывные в диапазоне частот и времени участки, на которых измеренные параметры {θ, β} с учетом заданной погрешности измерений постоянны. Принимают решение об обнаружении ШПС, уточняют измеренные параметры {θ, β} путем их усреднения определяют ширину спектра обнаруженного ШПС и его среднюю частоту. Заявляемое устройство представляет собой N-канальный пеленгатор на основе фазового интерферометра, дополненный блоками обнаружения и оценивания характеристик ШПС. 2 н.п. ф-лы, 9 ил., 1 табл.

Description

Заявляемые объекты объединены одним изобретательским замыслом, относятся к области радиотехники и могут быть использованы в многочисленных обнаружителях-пеленгаторах систем радиомониторинга для решения задач обнаружения априорно неизвестных широкополосных сигналов (ШПС), оценивания характеристик и их пеленгования.

Далее под ШПС будем понимать сигналы, у которых произведение активной ширины спектра на его длительность много больше единицы (см. Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. -М. Радио и связь, 1985. - 384 с.; Филоненко Д.А., Карпушкин Э.М. Широкополосные системы передачи информации для беспилотного летательного аппарата. Электронный ресурс: https://libeldoc.bsuir.by/bitstream/, обращ. 20.04.2023). Классификация и характеристики современных широкополосных модемов связи для беспилотных летательных аппаратов рассмотрена в ряде работ (см., например, электронный ресурс: https://habr.com/ru/articles/444898; stor-age.tusur.ru/files/11239/PTC-1205, обращ. 20.04.2023).

В качестве оцениваемых рассматриваются пространственные параметры ШПС (θ - пеленг и β - угол места прихода радиосигнала), ширина спектра ШПС и его центральная частота.

Известен способ пеленгации радиосигналов (см. Пат. РФ №2263327, МПК G01S 5/14, опубл. 27.10.2005, бюл. №30), который включает прием радиосигналов в соответствующем поддиапазоне частот Δf_v, Δf_v ∈ ΔF, v=1, 2, …, V, V=ΔF/Δf, антенной решеткой, состоящей из N идентичных ненаправленных антенных элементов, где N>2, расположенных в плоскости пеленгования и согласованным с местными условиями вариантом размещения, последовательное синхронное преобразование высокочастотных сигналов каждой пары антенных элементов антенной решетки в электрические сигналы промежуточной частоты, дискретизацию их и квантование, формирование из них четырех последовательностей отсчетов путем разделения на квадратурные составляющие, запоминание в каждой последовательности заданного числа В отсчетов квадратурных составляющих сигналов, коррекцию запомненных отсчетов последовательностей квадратурных составляющих путем последовательного умножения каждого из них на соответствующий отсчет заданного временного окна, формирование из скорректированных последовательностей квадратурных составляющих отсчетов сигналов двух комплексных последовательностей отсчетов сигналов, элементы которых определяют путем попарного объединения соответствующих отсчетов скорректированных последовательностей квадратурных составляющих сигналов антенных элементов, преобразование обеих комплексных последовательностей отсчетов сигналов с помощью дискретного преобразования Фурье, попарное перемножение отсчетов сигнала преобразованной последовательности одного антенного элемента на соответствующие комплексно сопряженные отсчеты сигнала преобразованной последовательности на той же частоте другого антенного элемента где расчет для текущей пары антенных элементов разности фаз сигналов для каждого частотного поддиапазона по формуле запоминание полученных разностей фаз радиосигналов, формирование и запоминание эталонного набора разностей фаз сигналов исходя из пространственного размещения антенных элементов антенной решетки, используемого частотного диапазона и заданной точности измерений, вычитание из эталонных разностей фаз сигналов соответствующих значений измеренных разностей фаз, возведение в квадрат полученных значений невязок и их суммирование по всем парам антенных элементов и всем частотным поддиапазонам, запоминание полученных сумм, находящихся в однозначном соответствии с направлениями прихода радиосигналов, определение наиболее вероятного направления прихода радиосигнала в горизонтальной и угломестной плоскостях по наименьшей сумме квадратов невязок.

Аналог обеспечивает повышение точности пеленгования сигналов источников радиоизлучений и упрощение реализации антенной системы. Положительный эффект достигается благодаря одновременному (синхронному) измерителю разности фаз сигнала в антенных элементах пары, реализации более полного учета информации о поле сигнала.

Однако аналогу присущи недостатки, ограничивающие его применение. Неоптимальный прием оцениваемых сигналов (по полосе частот) ведет к ухудшению соотношения сигнал / (помеха + шум) (ОСПШ), что, в конечном счете, сказывается на реальной чувствительности пеленгатора и его точностных характеристиках. Ситуация еще более усугубляется при обнаружении и пеленговании широкополосных сигналов (ШПС), имеющих низкое, а иногда и отрицательное значение (ниже уровня шумов) ОСПШ.

Известен способ пеленгации радиосигналов (см. Пат РФ №2341811, МПК G01S 3/14 (2006/01), опубл. 20.12.2008, бюл. №35), который включает прием радиосигналов в соответствующем поддиапазоне частот Δf_v, Δf_v ∈ ΔF, v=1, 2, …, V, V=ΔF/Δf, антенной решеткой, состоящей из N идентичных ненаправленных антенных элементов, где N>2, расположенных в плоскости пеленгования и согласованным с местными условиями вариантом размещения, последовательное синхронное преобразование высокочастотных сигналов каждой пары антенных элементов антенной решетки в электрические сигналы промежуточной частоты, дискретизацию их и квантование, формирование из них четырех последовательностей отсчетов путем разделения на квадратурные составляющие, запоминание в каждой последовательности заданного числа В отсчетов квадратурных составляющих сигналов, коррекцию запомненных отсчетов последовательностей квадратурных составляющих путем последовательного умножения каждого из них на соответствующий отсчет заданного временного окна, формирование из скорректированных последовательностей квадратурных составляющих отсчетов сигналов двух комплексных последовательностей отсчетов сигналов, элементы которых определяют путем попарного объединения соответствующих отсчетов скорректированных последовательностей квадратурных составляющих сигналов антенных элементов, преобразование обеих комплексных последовательностей отсчетов сигналов с помощью дискретного преобразования Фурье, попарное перемножение отсчетов сигнала преобразованной последовательности одного антенного элемента А_l на соответствующие комплексно сопряженные отсчеты сигнала преобразованной последовательности на той же частоте другого антенного элемента A_h, расчет для текущей пары антенных элементов разности фаз сигналов и взаимной мощности сигналов для каждого частотного поддиапазона, запоминание полученных результатов формирование и запоминание эталонного набора разностей фаз сигналов исходя из пространственного размещения антенных элементов антенной решетки, используемого частотного диапазона и заданной точности измерений, вычитание из эталонной разности фаз сигналов соответствующих значений измеренных разностей фаз, возведение в квадрат полученных значений невязок и их суммирование по всем парам антенных элементов и всем частотным поддиапазонам, запоминание полученных сумм, находящихся в однозначном соответствии с направлениями прихода радиосигналов, определение наиболее вероятного направления прихода радиосигналов в горизонтальной и вертикальной плоскостях по наименьшей сумме квадратов невязок, одновременное определение суммарной мощности сигналов P(f_v) путем суммирования взаимных мощностей по всем парам антенных элементов для каждого частотного поддиапазона Δf_v, запоминание значений суммарной мощности сигнала, вычисление среднего значения мощности сигнала в каждом частотном поддиапазоне по формуле где η - количество используемых в обработке пар, определение частотных поддиапазонов в которых значение средней мощности сигнала превышает заданный порог Р_пор, запоминание значений пеленгов, соответствующих поддиапазонам определение ширины спектров сигналов Δf_сi, по количеству m, m=1, 2, ..., М, прилегающих пеленгов θj одного наименования по формуле определение средней частоты сигнала для всех обнаруженных излучений по формуле где - верхняя частота спектра i-гo сигнала, совместное запоминание средних частот и соответствующих им полос частот Δf_сi, последовательное во всем диапазоне ΔF выделение полос частот Δf_ci подавлением мешающих сигналов и уточнение наиболее вероятного направления прихода радиосигналов в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

Аналог обеспечивает повышение точности пеленгации радиосигналов в сложной сигнально-помеховой обстановке, когда спектры сигналов от различных источников граничат в частотной области или частично перекрываются.

Однако аналогу присущи недостатки, ограничивающие его применение. Первый из них обусловлен значительным временем обработки сигналов, из-за двухканального выполнения операций измерения разности фаз для используемых пар антенных элементов антенной решетки (последовательное выполнение операций измерения а также использованием метода случайного поиска глобального экстремума (минимальной суммы квадратов невязки). Другой существенный недостаток аналога связан с недостаточной реальной чувствительностью. В условиях низкого ОСПШ способ теряет работоспособность.

Известен способ пеленгации радиосигналов (см. Пат РФ №2055832, МПК G01S 3/14 (2006.1), опубл. 27.01.2014, бюл. №3), который включает прием радиосигналов в соответствующем поддиапазоне зоне частот Δf_v, Δf_v ∈ ΔF, v=1, 2, …, F, V=ΔF/Δf, антенной решеткой, состоящей из N ненаправленных антенных элементов, где N>2, расположенных в плоскости пеленгования и согласованным с местными условиями вариантом размещения, последовательное синхронное преобразование высокочастотных сигналов одновременно всех N антенных элементов (АЭ) антенной решетки (АР) в электрические сигналы промежуточной частоты, одновременную дискретизацию их и квантование, формирование из них 2N последовательностей отсчетов путем разделения на квадратурные составляющие с последующим их преобразованием в скорректированные последовательности квадратурных составляющих сигнала, одновременное формирование из всех скорректированных последовательностей квадратурных составляющих сигналов N комплексных последовательностей сигналов с последующим преобразование их с помощью дискретного преобразования Фурье, одновременное попарное для соответствующих частот выполнение комплексно сопряженного перемножения отсчетов сигнала преобразованных последовательностей используемых в обработке пар антенных элементов одновременный расчет для всех N ⋅ (N-1)/2 пар антенных элементов разности фаз сигналов для каждого частотного поддиапазона с последующим их запоминанием и формированием массива невязок, где N ⋅ (N-1)/2 - количество неповторяющихся пар антенных элементов антенной решетки, используемых в обработке, для каждой пары антенных элементов на основе измеренных значений формирование конечного семейства пространственных описаний конусов возможных направлений на источник и далее набора взаимно непересекающихся окружностей направлений, полученных в результате пересечения семейством конусов направлений удаленной сферы, запоминание точки пересечения окружностей направлений от разных пар антенных элементов, определение значения сумм квадратов невязок H(f_v) для точек пересечения окружностей направлений, определение минимального значения minH(f_v) из выбранной функции H(F_v), выполнение локальной оптимизации minH(f_v) путем сравнения с ближайшими к нему значениями сумм квадратов невязок, определение наиболее вероятного направления прихода радиосигнала по наименьшей сумме квадратов невязок.

Аналог обеспечивает существенное сокращение временных затрат на оценивание пространственных параметров сигналов источников радиоизлучений при сохранении или незначительном увеличении ошибки измерений.

В качестве недостатка аналога следует отметить его недостаточную чувствительность, негативно влияющую на точностные характеристики способа. В способе не предполагается выполнение операции накопления временных реализаций по каждой частотной компоненте, что не позволяет за счет увеличения объема накопленной информации повысить эффективность процедуры пеленгования. Ситуация существенно ухудшается при оценивании пространственных параметров ШПС, обладающих низкой спектральной энергетикой. Кроме того, аналогу присуща недостаточная точность оценивания пространственных параметров {θ, β}.

Наиболее близким по технической сущности является способ повышения точности пеленгования источников радиоизлучения обнаружителем-пеленгатором с многоканальной антенной системой (см. Пат РФ №2713235, МПК G01S 3/14 (2006.01), опубл. 04.02.2020, бюл. №4). Способ-прототип включает в себя когерентный прием ШПС антенной системой (АС) из N идентичных ненаправленных антенных элементов (АЭ), N≥2, последовательное синхронное преобразование высокочастотных сигналов S(t) со всех N АЭ на промежуточную частоту двухканальным радиоприемным устройством (РПУ) с общим гетеродином, последовательное преобразование сигналов всех N каналов в полосе приема РПУ ΔF(F_нач, F_кон) в цифровую форму где F_нач и F_кон - граничные частоты полосы приема двухканального РПУ ΔF, i - частота преобразования сигнала, j - момент времени преобразования сигнала, n=1, 2, … N, получение с помощью преобразования Фурье спектральных характеристик сигнала для каждого из N каналов приема в полосе одновременного обзора с заданным шагом дискретизации по частоте f₀, накопление по каждой частотной составляющей и каждому N-му каналу приема М непрерывных по времени отсчетов сигнала, на основе которых вычисляют парциальные диаграммы направленности (ДН) для каждой пеленгаторной пары и диаграмму направленности АС как сумму парциальных ДН, определение направления на источник сигнала как аргумент максимума синтезированной ДН АС.

Прототип обеспечивает выполнение процедуры накопления временных реализаций по каждой спектральной компоненте, что позволяет за счет увеличения объема накопленной выборки сигнала повысить эффективность процедуры пеленгования источников радиоизлучений (ИРИ) за счет повышения выходного отношения сигнал / шум.

Однако способу-прототипу присущи недостатки, ограничивающие его применение при обнаружении и анализе характеристик априорно неизвестных ШПС.

Прототип не обеспечивает обнаружение и измерение основных характеристик априорно неизвестных ШПС. Кроме того, используемая в нем двухканальная обработка сигналов ограничивает его точностные характеристики измерения пространственных параметров {θ, β}. Отсутствует усреднение некоррелированных по частоте параметров {θ, β}, что также негативно сказывается на точностных характеристиках способа.

Известен пеленгатор (см. Пат. РФ №2263327, MПК G01S 3/14, опубл. 27.10.2005 г., бюл. №30). Аналог содержит антенную решетку, выполненную из N>2 идентичных ненаправленных антенных элементов, расположенных в плоскости пеленгования и согласованных с местными условиями вариантом размещения, антенный коммутатор, N входов которого подключены к соответствующим N выходам антенной решетки, а сигнальный и опорный выходы коммутатора подключены соответственно к сигнальному и опорному входам двухканального приемника, выполненного по схеме с общими гетеродинами, аналого-цифровой преобразователь, выполненный двухканальным соответственно с сигнальным и опорным каналами, причем сигнальный и опорный выходы промежуточной частоты двухканального приемника соединены соответственно с сигнальным и опорным входами аналого-цифрового преобразователя, блок преобразования Фурье, выполненный двухканальным соответственно с сигнальным и опорным каналами, сигнальный и опорный входы которого соединены соответственно с сигнальным и опорным входами аналого-цифрового преобразователя, первое и второе запоминающие устройства, блок вычитания, блок формирования эталонных значений разностей фаз, блок вычисления разности фаз, первый информационный вход которого соединен с сигнальным выходом блока преобразования Фурье, а второй вход - с опорным выходом бока преобразования Фурье, первая группа информационных выходов блока вычисления разности фаз соединена с группой информационных входов второго запоминающего устройства, группа информационных выходов которого соединена с группой входов вычитаемого блока вычитания, группа входов уменьшаемого которого соединена с информационными выходами первого запоминающего устройства, информационные входы которого соединены с информационными выходами блока формирования эталонных значений разностей фаз, группа информационных входов которого является входной установочной шиной пеленгатора, последовательно соединенные умножитель, первый сумматор, третье запоминающее устройство, блок определения азимута и угла места, причем первая и вторая группы информационных входов умножителя объединены и соединены с группой информационных выходов блока вычитания, генератор синхроимпульсов, выход которого соединен с управляющим входом антенного коммутатора, входами синхронизации аналого-цифрового преобразователя, блока преобразования Фурье, первого, второго и третьего запоминающих устройств, блока вычитания, умножителя, первого сумматора, блока определения азимута и угла места, блока формирования эталонных значений разностей фаз и блока вычисления разности фаз.

Устройство-аналог позволяет решить поставленную перед ним задачу - улучшить качество пеленгования, а именно повысить его точность. Однако устройству присущ недостаток - недостаточная точность пеленгования в сложной сигнально-помеховой обстановке.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является пеленгатор по Пат. РФ №2341811, МПК G01S 3/14, опубл. 20.12.2008, бюл. №35. Устройство прототип содержит антенную решетку, выполненную из N>2 идентичных ненаправленных антенных элементов, расположенных в плоскости пеленгования и согласованным с местными условиями вариантом размещения, антенный коммутатор, N входов которого подключены к соответствующим N выходам антенной решетки, а сигнальный и опорный выходы коммутатора подключены соответственно к сигнальному и опорному входам двухканального приемника, выполненного по схеме с общими гетеродинами, аналого-цифровой преобразователь, выполненный двухканальным соответственно с сигнальным и опорным каналами, причем сигнальный и опорный выходы промежуточной частоты двухканального приемника соединены соответственно с сигнальным и опорными входами аналого-цифрового преобразователя, блок преобразования Фурье, выполненный двухканальным соответственно с сигнальным и опорным каналами, первое и второе запоминающие устройства, блок вычитания, блок формирования эталонных значений разностей фаз, блок вычисления первичных пространственно-информационных параметров, первый информационный вход которого соединен с сигнальным выходом блока преобразования Фурье, а второй вход - с опорным выходом блока преобразования Фурье, первая группа информационных выходов блока вычисления первичных пространственно информационных параметров соединена с группой информационных входов второго запоминающего устройства, группа информационных выходов которого соединена с группой входов вычитаемого блока вычитания, группа входов уменьшаемого которого соединена с информационными выходами первого запоминающего устройства, информационные входы которого соединены с информационными выходами блока формирования эталонных значений разностей фаз, группа информационных входов которого является первой установочной шиной пеленгатора, последовательно соединенные умножитель, первый сумматор, третье запоминающее устройство, блок определения азимут и угла места, причем первая и вторая группы информационных входов умножителя объединены и соединены с группой информационных выходов блока вычитания, генератор синхроимпульсов, выход которого соединен с управляющим входом антенного коммутатора, входами синхронизации аналого-цифрового преобразователя, блока преобразования Фурье, первого, второго и третьего запоминающих устройств, блока вычитания, умножителя, первого сумматора, блока определения азимута и угла места, блока формирования эталонных значений разностей фаз и блока вычисления первичных пространственно-информационных параметров, четвертое, пятое и шестое запоминающие устройства, блок элементов «И», первый, второй и третий счетчики импульсов, второй сумматор, делитель, первый и второй блоки сравнения, блок определения средней частоты сигнала и цифровой полосовой фильтр, выполненный двухканальным, причем первый и второй сигнальные входы цифрового полосового фильтра соединены с выходами сигнального и опорного каналов аналого-цифрового преобразователя соответственно, а первый и второй сигнальные выходы соединены соответственно с сигнальным и опорным входами блока преобразования Фурье, последовательно соединенные первый счетчик, пятое запоминающее устройство, второй сумматор, делитель, шестое запоминающее устройство и первый блок сравнения, причем счетный вход первого счетчика импульсов объединен с входами синхронизации пятого запоминающего устройства, второго сумматора, цифрового полосового фильтра и выходом генератора синхроимпульсов, а выход обнуления первого счетчика импульсов соединен со входами управления второго сумматора и делителя, входами синхронизации шестого запоминающего устройства и первого блока сравнения, и счетным входом второго счетчика импульсов, группа информационных выходов которого соединены с первой группой информационных входов блока определения средней частоты сигнала и с соответствующими вторыми входами блока элементов «И», первые входы которого объединены и соединены с выходом первого блока сравнения, а выходы блока элементов «И» соединены с группой адресных входов четвертого запоминающего устройства, первая и вторая группы информационных входов которого соединены с первой и второй группами информационных выходов блока определения азимута и угла места, а первая и вторая группы информационных выходов четвертого запоминающего устройства являются соответственно первой и второй выходными шинами пеленгатора, вторая установочная шина которого соединена со второй группой информационных входов первого блока сравнения, группа информационных входов второго блока сравнения объединена со второй входной шиной пеленгатора, первый выход второго блока сравнения соединен со счетным входом третьего счетчика импульсов, а второй выход - со входом обнуления третьего счетчика импульсов, группа информационных выходов которого соединена со второй группой информационных входов блока определения средней частоты сигнала, группа информационных выходов которого соединена с группами входов управления цифрового полосового фильтра и двухканального приемника.

Прототип обеспечивает повышение точности пеленгации в сложной сигнально-помеховой обстановке, когда спектры сигналов от разных источников граничат в частотной области или частично перекрываются.

Однако прототипу присущи недостатки, ограничивающие его применение: пеленгатор теряет свою работоспособность при ОСШ близком к нулю; обладает недостаточной точностью измерения пространственных параметров сигналов {θ, β} из-за использования двухканальной обработки принятых излучений; не обеспечивает обнаружение и измерение параметров ШПС .Целью заявляемых технических решений является реализация обнаружения и оценивания характеристик априорно неизвестных широкополосных сигналов и повышение точности оцениваемых параметров {θ, β}.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе, включающем когерентный прием ШПС антенной системой из N идентичных антенных элементов, N≥2, преобразование высокочастотных сигналов S(t) со всех N АЭ на промежуточную частоту радиоприемным устройством (РПУ) с общим гетеродином, преобразование сигналов всех N каналов в полосе приема РПУ ΔF (F_нач, F_кон) в цифровую форму , где F_нач и F_кон - граничные частоты полосы приема двухканального РПУ ΔF, i - частота преобразования сигнала, j - момент времени преобразования сигнала, n=1,2,… N, получение с помощью преобразования Фурье спектральных характеристик сигнала для каждого из N каналов приема в полосе одновременного обзора с заданным шагом дискретизации по частоте ƒ₀, накопление по каждой частотной составляющей и каждому N-му каналу приема М непрерывных по времени отсчетов сигнала, определение направления на источник сигнала как аргумент максимума синтезированной диаграммы направленности АС, выполняют одновременное синхронное преобразование принятых сигналов S{t} на промежуточную частоту со всех N АЭ N-канальным РПУ с общим гетеродином и последующим одновременным их преобразованием в цифровую форму, интервал времени накопления М отсчетов сигнала по каждому из N каналов приема делят на K участков K=M/L, на каждом интервале K отсчетов и каждой ƒ-й частотной позиции A_ƒ=(F_нач-F_кон)/ƒ₀ для сигналов всех N каналов приема рассчитывают взаимно-корреляционную функцию с сигналами n-го опорного канала , n=1,2,… N, который назначают по максимальному значению средней амплитуды сигнала на интервале K отсчетов, определяют эталонные значения сигнала {е₁, е₂,…, e_n} для r-го азимутального и m-го угломестного направлений его прихода с шагом дискретизации Δθ' по азимуту и Δβ' по угломестному направлениям в заданных секторах пеленгования {θ_min, θ_max} и {β_min, β_max} в соответствии с выражением

,

где х_n, у_n, z_n - координаты n-го антенного элемента, n=1…N, на основе набора измеренных значений определяют направление {θ, β} на источник сигнала на i-й частоте в j-й момент времени путем расчета нормированной ВКФ d(θ, β) между измеренными и эталонными значениями {е₁, е₂,…, e_n}_r,m для всех азимутальных θ и угломестных β направлений с последующим поиском нормированной ВКФ d(θ_r, β_m) с максимальным значением, аргумент значения которой соответствует наиболее вероятному направлению прихода сигнала, определяют непрерывные в диапазонах частоты и времени участки, на которых измеряемые параметры {θ, β} с учетом заданной погрешности измерений {Δθ, Δβ} постоянны, принимают решение об обнаружении ШПС, уточняют измеренные пространственные параметры на обнаруженный источник ШПС путем их усреднения , определяют крайние на выделенном участке частоты , на основе которых вычисляют значения средней частоты и ширину спектра ШПС, а при отсутствии ШПС в контролируемой полосе частот N-канальное РПУ перестраивают на другую полосу частот.

Поставленная цель в заявленном устройстве достигается тем, что в известное устройство, содержащее антенную систему, выполненную из N≥2 идентичных антенных элементов, расположенных в плоскости пеленгования и согласованным с местными условиями вариантом размещения, радиоприемное устройство (РПУ), выполненное по схеме с общими гетеродинами, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), блок цифровых полосовых фильтров, блок преобразования Фурье, последовательно соединенные блок расчета эталонных значений параметров и первый блок памяти, группа информационных входов блока расчета эталонных значений параметров является первой входной установочной шиной устройства обнаружения и оценивания характеристик ШПС, второй, третий, четвертый и пятый блоки памяти, блок определения пространственных параметров {θ, β}, блок определения характеристик сигналов и генератор синхроимпульсов, выход которого соединен с входами синхронизации АЦП, блока преобразования Фурье, блока расчета эталонных значений параметров, первого, второго, третьего, четвертого и пятого блоков памяти, и блока определения характеристик сигналов, радиоприемное устройство, АЦП и блок цифровых фильтров выполняют N-канальными, радиоприемное устройство, аналого-цифровой преобразователь и блок цифровых полосовых фильтров выполняют N-канальными, а блок преобразования Фурье одноканальным, дополнительно введены мультиплексор, N информационных входов которого соединены с соответствующими N информационными выходами блока цифровых полосовых фильтров, информационные входы которого соединены с соответствующими N информационными выходами N-канального АЦП, N информационных входов которого соединены с соответствующими N информационными выходами РПУ, N информационных входов которого соединены с выходами соответствующих АЭ антенной системы, а информационный выход мультиплексора соединен с информационным входом блока преобразования Фурье, информационный выход которого соединен с информационным входом второго блока памяти, группа входов управления которого является третьей входной установочной шиной устройства обнаружения и оценивания характеристик ШПС, блок выбора опорного канала, предназначен для определения на интервале времени L канала с максимальной амплитудой сигнала, группа информационных входов которого соединена с группой информационных выходов второго блока памяти, первый блок расчета взаимно-корреляционной функции (ВКФ), группа информационных входов которого соединена с группой информационных выходов блоков выбора опорного канала, а группа информационных выходов соединена с группой информационных входов третьего блока памяти, второй блок расчета ВКФ, первая группа информационных входов которого соединена с группой информационных выходов третьего блока памяти, вторая группа информационных входов соединена с группой информационных выходов первого блока памяти, а группа информационных выходов соединена с группой информационных входов четвертого блока памяти, блок определения максимума, предназначен для нахождения максимума функции корреляции набора усредненных отсчетов сигнала группа информационных входов которого соединена с группой информационных выходов четвертого блока памяти, а группа информационных выходов соединена с группой информационных входов блока определения пространственных параметров, блок фильтрации выбросов, предназначен для селекции результатов измерения пространственных параметров θ и β не укладывающихся в заданные значения погрешностей оценивания Δθ и Δβ, первая группа информационных входов которого соединена с группой информационных выходов блока определения пространственных параметров, вторая группа информационных входов соединена с группой информационных выходов пятого блока памяти, группа информационных входов которого является второй входной установочной шиной устройства обнаружения и оценивания характеристик ШПС, блок принятия решения, предназначен для анализа частотно-временной матрицы направлений прихода сигнала, сформированной блоком фильтрации выбросов, и принятия решения на его основе об обнаружении ШПС, группа информационных входов которого соединена с группой информационных выходов блока фильтрации выбросов, блок усреднения пространственных параметров, предназначен для усреднения совокупностей пространственных параметров соответственно θ и β обнаруженного ШПС, группа информационных входов которого соединена с первой группой информационных выходов блока принятия решения, вторая группа информационных выходов которого соединена с группой входов управления N-канального радиоприемного устройства, а группа информационных выходов соединена с группой информационных входов блока определения характеристик сигналов, предназначенный для определения ширины спектра ШПС и его центральной частоты, группа информационных выходов которого является выходной шиной устройства обнаружения и оценивания характеристик ШПС, а выход генератора синхроимпульсов соединен со входами синхронизации мультиплексора, блока выбора опорного канала, первого и второго блоков расчета ВКФ, блока поиска максимума, блока определения характеристик сигналов, блока усреднения пространственных параметров, блока принятия решения и блока фильтрации выбросов.

Предлагаемые способ и устройство обнаружения и оценивания характеристик ШПС лишены недостатков прототипа:

обеспечивают обнаружение априорно неизвестных ШПС;

обеспечивают измерение характеристик ШПС: ширины полосы ШПС, граничных частот и средней частоты;

обеспечивают повышение точности измерения пеленга θ и угла места β на источник ШПС за счет многоканальной (N-канальной) обработки контролируемых сигналов и усреднения некоррелированных по частоте измерений параметров.

Заявляемые способ и устройство поясняются чертежами, на которых:

на фиг. 1 - обобщенный алгоритм обнаружения и оценивания характеристик широкополосных сигналов;

на фиг. 2 - структурная схема устройства обнаружения и оценивания характеристик широкополосных сигналов;

на фиг. 3 иллюстрируется порядок накопления М отсчетов сигнала по каждой частотной составляющей и каждому из N каналов приема;

на фиг. 4 показаны значения взаимных корреляционных функций сигналов N каналов приема с сигналом n-го базового канала на интервале длительностью L;

на фиг. 5 приведена совокупность результатов расчета пространственных параметров на источник для каждой частотной составляющей на основе набора данных

на фиг. 6 приведена таблица измерений, темным цветом подсвечены частотные позиции и временной интервал, соответствующие обнаруженному ШПС;

на фиг. 7 приведен вариант зависимости среднеквадратической ошибки (СКО) пеленгования от частоты для заданной геометрии антенной системы;

на фиг. 8 показан алгоритм работы блока фильтрации выбросов;

на фиг. 9 приведены результаты обнаружения ШПС при значении ОСШ близком к нулю.

Сущность изобретения состоит в следующем. В предлагаемом способе обнаружения и оценивания характеристик ШПС каждый сигнал представляется совокупностью временных реализаций спектральных отсчетов в элементарном частотном канале. Ширина последнего обратно пропорциональная длительности временной реализации, несущей информацию о направлении прихода сигнала каждой компоненты. Сигнальная составляющая каждого спектрального отсчета характеризует распределение амплитуды и фазы поля радиосигнала по раскрыву антенны, которые на интервале его излучения носят близкий к стационарному характер. В свою очередь компоненты помеховой и шумовой составляющих в пространственно разнесенных пунктах приема имеют случайные амплитуды и фазы. В результате накопления временных реализаций спектральных отсчетов сигнала, предложенного в способе-прототипе, обеспечивается повышение выходного отношения сигнал / шум. Это позволяет эффективно обнаруживать и пеленговать сигналы ИРИ при низком ОСШ.

Однако, известный способ не позволяет принять решения об обнаружении ШПС с неизвестными характеристиками. Для этого необходимо в заданный интервал времени вскрыть все частотные позиции ШПС. Это требование обусловлено тем, что источник излучения (БПЛА) находится в движении (в полете), а его пространственные параметры изменяются. Кроме того, сигнал имеет ограниченную длительность T_min.

Предлагаемый способ учитывает эти ограничения. Время накопления Т_M М отсчетов сигнала выбирают из условия, что источник излучения ШПС существенно не изменит свое местоположение. В качестве критерия обнаружения ШПС используется факт обнаружения непрерывного в полосе частот и интервале времени участка, на котором пространственные параметры сигнала {θ, β} с учетом инструментальной точности пеленгатора будут примерно совпадать. Более точное определение пространственных параметров ШПС в предлагаемом способе достигается благодаря использованию многоканальной (N-канальной) обработки. Усреднение измеренных на совокупности частот пространственных параметров на источник ШПС позволяет дополнительно повысить точностные характеристики способа. При этом становится возможным определение крайних частотных позиций ШПС, а, следовательно, и ширины его спектра ΔF_C и центральной частоты

Реализация заявляемого способа поясняется следующим образом (см. фиг. 1, 2). Исходными данными для решения задачи обнаружения априорно неизвестных ШПС и оценивания его характеристик являются:

возможные полосы частот ШПС, лежащие в переделах от F_min до F_max, т.е. ΔF_c(F_min, F_max)<ΔF, где ΔF - полоса одновременного приема РПУ;

возможная минимальная длительность сигнала T_min;

известен диапазон частот, где эти сигналы могут быть обнаружены (F_нач, F_кон);

известна инструментальная точность обнаружителя (пеленгатора) {Δθ, Δβ} в горизонтальной и угломестной плоскостях соответственно.

На подготовительном этапе определяют значение шага дискретизации по частоте следующим образом

где В - заданная погрешность измерения полосы ШПС и его центральной частоты в процентах.

Заявляемый способ предполагает многоканальный когерентный прием ШПС антенной системой из N антенных элементов произвольной структуры и идентичными характеристиками направленности АЭ, N≥2. Последние располагают в плоскости пеленгования и согласованным с местными условиями вариантом размещения.

Принятые N АЭ высокочастотные сигналы S(t) одновременно синхронно преобразуют на промежуточную частоту N-канальным РПУ с общим гетеродином. После этого осуществляют одновременное преобразование сигналов всех N каналов в полосе приема ΔF(F_нач,F_кон) в цифровую форму где F_нач и F_кон - граничные частоты начала и конца полосы частот приема N-канального РПУ ΔF, i - частота преобразования сигнала, j - момент времени преобразования сигнала, n=1, 2, …, N.

На следующем этапе принятые цифровые последовательности преобразуют из временной области в частотную с помощью преобразования Фурье. Спектральные характеристики в полосе одновременного обзора с заданным шагом дискретизации по частоте f₀(1) накапливают по М реализаций на каждой частотной составляющей и каждому n-му каналу приема непрерывных по времени отсчетов сигнала. Последние могут быть представлены в виде таблицы 1 для сигнала длительностью T_min.

Здесь общее количество частот. а М - общее количество моментов непрерывных по времени отсчетов сигнала М=T_min⋅f₀.

На фиг. 3 иллюстрируется порядок накопления М отсчетов сигнала по каждой частотной составляющей и каждому N каналу приема.

Далее временной интервал T_min с М отсчетами сигнала делят на K временных участков равной длительности L

На каждом K-ом интервале, для всех частотных составляющих и N каналов приема вычисляют значение взаимнокорреляционной функции по отношению к выбранному базовому каналу

где - j-тый комплексно-сопряженный отсчет базового канала. В качестве последнего назначают канал с максимальным значением средней амплитуды сигнала на интервале K отсчетов сигнала. Полученные в (2) результаты используют для формирования корреляционной матрицы измерений представленной на фиг. 4. Для каждой частотной составляющей на основе полученных значений определяют направление {θ, β} на источник сигнала на i-й частоте в j-й момент времени. Для этого рассчитывают нормированную ВКФ d(θ,β) между измеренными и эталонными значениями параметров для всех возможных азимутальных θ и угломестных β направлений с последующим поиском нормированной ВКФ d(θ_r, β_m) с максимальным значением. Аргумент значения последней соответствует наиболее вероятному направлению прихода сигнала {θ_r,β_m} (см. фиг. 5).

Эталонный сигнал представляет собой набор значении {e₁, e₂, …, e_N} для r-го азимутального и m-го угломестного направлений. Сектор пеленгования {θ_min, θ_mах} и {β_min, β_mах) дискредитируют с шагом Δθ' по азимутальному и Δβ' по угломестному направлениям для получения конечного набора направлений. Тогда для {r, m}-го направления набор эталонов определиться из выражения

где х_n, у_n, z_n- координаты n-го антенного элемента АС, n=1…N.

На основе использования известных точностных характеристик радиопеленгатора {Δθ, Δβ) в полосе частот ΔF приема РПУ осуществляют поиск непрерывных в диапазоне частот ΔF_c и интервалов времени участок, на котором измеренные параметры {θ,β}_i будут укладываться примерно в одном направлении.

В найденной совокупности параметров определяют значения крайних частот и ШПС, а на их основе центральную частоту ШПС и ширину спектра На фиг. 6 темным цветом подсвечены частотные позиции и временной интервал, соответствующие обнаруженному ШПС. Усреднение полученного набора параметров позволяет получить их уточненные некоррелированное по частоте значения В противном случае, когда в полосе приема РПУ ΔF ШПС не обнаружен, N-канальное приемное устройство перестраивают на другую полосу частот.

Таким образом, предлагаемый способ обнаружения и оценивания характеристик ШПС предполагает выполнение следующих процедур.

1. Когерентный прием ШПС антенной системой из N идентичных ненаправленных АЭ, N≥2, расположенных в плоскости пеленгования.

2. Преобразование высокочастотных сигналов на промежуточную частоту N-канальным радиоприемным устройством с общим гетеродином.

3. Преобразование сигналов промежуточной частоты N каналов приема в цифровую форму с помощью N аналого-цифровых преобразователей.

4. Получение спектральных характеристик ШПС для каждого из N каналов в полосе одновременного обзора ΔF N-канального РПУ с заданным шагом дискретизации по частоте f₀.

5. Накопление по каждой частотной составляющей М отсчетов сигнала по каждому из N каналов. Поток отсчетов в каждой частотной составляющей должен быть непрерывен во времени.

6. Разбиение интервала T_min с М отсчетами на К участков, K=M/L.

7. На каждом K-м участке отсчетов сигнала для каждой i - частотной составляющей и N каналов приема выбор базового канала по максимуму средней амплитуды сигнала.

8. На каждом интервале длительностью K отсчетов сигнала для каждой частотной составляющей и каждого N-го канала приема расчет взаимнокорреляционной функции по отношению к выбранному базовому каналу

9. Расчет направления на источник излучения для каждой частотной составляющей на основе набора данных путем:

расчета нормированного значения ВКФ d(θ_r,β_m) между измеренными и эталонными {е₁,е₂,…, e_N}_r,m данными

для всех значений r-го азимута и m-го угломестного направления;

поиск максимального значения ВКФ d{θ_r,β_m), аргумент которой {θ_r,β_m} является наиболее вероятным направлением прихода сигнала.

10. Используя точностные характеристики измерителя (пеленгатора) {Δθ, Δβ] определяют непрерывный в полосе частот и интервалов времени участок, в котором будут примерно совпадать. Принимают решение об обнаружении ШПС на основе априорных данных о возможной его полосе частот и длительности излучения.

11. Определяют крайние частоты и ШПС, центральную частоту ШПС и ширину спектра

12. Уточняют пространственные параметры ШПС путем их усреднения.

Устройство обнаружения и оценивания характеристик ШПС (см. фиг. 2) содержит последовательно соединенные N-канальную антенную систему 5, N-канальное радиоприемное устройство 6, блок из N аналого-цифровых преобразователей 7, блок из N цифровых полосовых фильтров 8, мультиплексор 9, блок преобразования Фурье 10, второй блок памяти 11, блок выбора опорного канала 12, первый блок расчета взаимнокорреляционной функции 13, третий блок памяти 14, второй блок расчета взаимнокорреляционной функции 15, четвертый блок памяти 16, блок поиска максимума 17, блок определения пространственных параметров 22, блок фильтрации выбросов 21, блок принятия решения 20, блок усреднения пространственных параметров 19 и блок определения характеристик сигналов 18, группа информационных выходов которого является выходной шиной устройства обнаружения и оценивания характеристик ШПС 23, группа входов управления второго блока памяти 11 является третьей входной установочной шиной 26 устройства обнаружения и оценивания характеристик ШПС, последовательно соединенные блок расчета эталонных значений параметров 3 и первый блок памяти 4, группа информационных выходов которого соединена со второй группой информационных входов второго блока расчета взаимнокорреляционной функции 15, а группа информационных входов блока расчета эталонных значений параметров 3 является первой входной установочной шиной 1 устройства обнаружения и оценивания характеристик ШПС, пятый блок памяти 24, группа информационных входов которого является второй входной установочной шиной 25 устройства обнаружения и оценивания характеристик ШПС, а группа информационных выходов блока 24 соединена со второй группой информационных входов блока фильтрации выбросов 21, вторая группа информационных выходов блока принятия решения 20 соединена с группой входов управления N-ка-нального радиоприемного устройства 6, и генератор синхроимпульсов 2, выход которого соединен со входами синхронизации блоков 3, 4, 7-22 и 24.

Выбранные аналоги и прототип представляют собой двухканальные пеленгаторы, реализованные по схеме фазового интерферометра (см. Torrieri D.J. Principles of military communication system. Dedham, Massachusetts. Artech Hause, inc., 1981. - 298 p. Заявляемое устройство, реализующее предложенный способ, представляет собой N-канальный пеленгатор на основе фазового интерферометра (см. там же), дополненный блоками обнаружения и оценивания характеристик ШПС.Названные изменения позволяют повысить точность измерения пространственных параметров сигналов {θ, β}, а также обнаруживать и измерять основные характеристики ШПС.

Работа предлагаемого устройства (см. фиг. 2) осуществляется следующим образом.

Перед началом работы устройства рассчитывают эталонные значения параметров с помощью блока 3. Для этого осуществляют по аналогии с прототипом описание пространственных характеристик АС.С этой целью измеряют взаимные расстояния между антенными элементами Δ_l,h АС 5 при их размещении на горизонтальной плоскости. В общем случае используют расстояния между проекциями пространственного размещения АЭ на горизонтальную плоскость. В этом случае для каждого АЭ дополнительно измеряют значения Результаты измерений по шине 1 (см. фиг. 2) поступают на вход блока расчета эталонных значений параметров 3. Здесь выполняют вычисление значений эталонных параметров е_n в соответствии с выражением (3). Значения е_n рассчитывают для всех частот f_v полосы приема ΔF(F_нач, F_кон), всех пар АЭ и возможных углов прихода сигнала вив. Полученные в блоке 3 значения поступают на вход первого блока памяти 4.

В процессе работы принятые N АЭ АС 5 сигналы поступают на соответствующие входы TV-канального радиоприемного устройства 6. В качестве антенных элементов АС 5 могут быть использованы дипольные, штырьевые, рупорные или лого-периодические АЭ. В задачу блока 6 входит усиление, фильтрация и синхронный перенос принятых сигналов S(t) на промежуточную частоту (ПЧ) ширина фильтра ПЧ составляет 100 МГц. Выбор таких параметров позволяет успешно осуществлять фильтрацию сигналов по зеркальным каналам приема.

С N выходов блока 6 сигналы промежуточной частоты поступают на соотвествующие входы блока из N АЦП 7, где синхронно преобразуют в цифровую форму. Частота дискретизации сигналов составляет 500 МГц. В результате в блоке 7 формируют 2N последовательности отсчетов (квадратурные составляющие сигналов от TV антенных элементов). Порядок выполнения этих операций подробно рассмотрен в Пат. РФ №2263328.

На завершающем этапе на выходе блока 7 присутствует TV комплексных последовательностей отсчетов, которые поступают на соответствующие входы блока цифровых полосовых фильтров 8, выполненный N-канальным. В исходном состоянии ширину пропускания фильтров 8 устанавливают равной полосе пропускания РПУ 6 ΔF=100 МГц. В блоке 8 осуществляют преобразование Гильберта с последующей фильтрацией и передискретизацией с учетом ширины фильтра РПУ ΔF=100 МГц.

Сигналы с выходов АЦП 7 через полосовые фильтры 8 поступают на соответствующие входы мультиплексора 9. В задачу последнего входит объединение N комплексных потоков сигнала в единый комплексный поток, который поступает на вход блока преобразования Фурье 10. Преобразование Фурье осуществляют таким образом, чтобы каждая частотная составляющая имела ширину полосы f₀=1 МГц.

Преобразованные в блоке 10 сигналы поступают на группу информационных входов второго блока памяти 11. В задачу последнего входит последовательное накопление М отсчетов сигнала. Значение М задают по третьей входной установочной 26, поступающее на управляющий вход блока 11.

Далее значения накопленных в блоке 11 частотных составляющих поступают на группу информационных входов блока выбора опорного канала 12. В функцию последнего входит назначение для каждой частотной составляющей на интервале K отсчетов сигнала опорного канала по максимуму средней амплитуды сигнала.

На следующем этапе в первом блоке расчета ВКФ 13 находят значения взаимнокорреляционной функции между сигналами опорного и другими N-1 каналами обработки Сформированная в блоке 13 последовательность значений ВКФ последовательно записывают в третий блок памяти 14.

После завершения названной операции с поступлением очередного импульса блока 2 значения поступают на первую группу информационных входов второго блока расчета ВКФ 15. На его вторую группу информационных входов поступают эталонные значения {е₁, е₂, ..., e_N}_r,_m с группы информационных выходов первого блока памяти 4. Последние формируют для дискретных по значению направлений в горизонтальной r и угломестной m плоскостях с интервалом, например, 0,1 градуса, что значительно ниже инструментальной точности существующих пеленгаторов. Для каждого {r, m} направления в блоке 15 определяют значения нормированной взаимнокорреляционной функции d(θ_r,β_m) в соответствии с (4).

Найденные в блоке 15 значения d(θ_r, β_m) поступают на группу информационных входов четвертого блока памяти 16. Блоки 14 и 16 выполняют функции буферной памяти.

После завершения расчета всех значений ВКФ в(θ_r,β_m), r=1, 2, ..., R, m=1, 2, ..., Р, результаты вычислений с выхода блока 16 поступают на информационные входы блока поиска максимума 17. В его функции входит определения d(θ_r,β_m) с максимальным значением. В связи с тем, что значение нормированной ВКФ является скалярной величиной, поиск максимума осуществляют путем прямого сравнения.

Значения maxd(θ_r,β_m) с группы выходов блока 17 поступает на группу информационных входов блока определения пространственных параметров 22. В его задачу входит преобразование аргумента mах d(θ_r,β_m) в соответствующие пространственные параметры сигнала {θ_r,β_m}. На основе измеренных значений {θ_r,β_m} в блоке фильтрации выбросов 21 формируют частотно-временную матрицу направлений {θ,β} для ее статистического анализа. Для каждой частоты сигнала берется свое значение среднеквадратической ошибки (СКО) пеленгования (см. фиг. 7), рассчитанное для данной геометрии АС. Если в частотно-временной матрице направлений присутствуют похожие (с учетом известного СКО пеленгования) результаты, определяются размеры участка со сходными направлениями. В рамках выявленного непрерывного по времени участка подобных результатов определяют выбросы измерений, возникших в силу разных причин. Последние в рамках блока 21 фильтруют и в дальнейшей обработке не используют.

Предварительные результаты анализа с группы информационных выходов блока 21 поступают на группу информационных входов блока принятия решения 19. В функции последнего входит принятие решения об обнаружении ШПС на основе результатов анализа, выполненного в блоке 20. Представляет собой блок сравнения. На подготовительном этапе в блок 19 заносят значения минимально возможной полосы сигнала ΔF_min и минимально возможной длительности сигнала T_min. При выполнении пороговых ΔF_c≥ΔF_min и T_с≥T_min блоком 20 принимается решение об обнаружении ШПС. Далее процесс обнаружения сигнала в блока 20 и 21 повторяют. На каждой итерации осуществляют обновление результатов обнаружения ШПС.

После этого в блоке 19 осуществляют усреднение пространственных параметров измеренных на совокупности частот обнаруженного широкополосного сигнала, а в блоке 18 на основе значений крайних частот ШПС , определенных в блоке 21, рассчитывают центральную частоту ШПС F_цШПС.Результаты измерений параметров ШПС ΔF_ШПС, по выходной шине 23 поступают на выход устройства.

При невыполнении пороговых условий в блоке 20 принимают решение об отсутствии в полосе приема устройства ШПС. На второй группе информационных выходов блока 20 формируется сигнал, поступающий на управляющий вход М-канального радиоприемного устройства 6. В результате блок 6 перестраивается на новую полосу частот, а поиск ШПС начинают по выше описанному алгоритму.

Реализация предлагаемого устройства известна и трудностей не вызывает, блоки со 2 по 8, 11, 14, 16, 18, 23, 24 реализуются аналогично соответствующим блокам прототипа. Отличие в реализации блоков 6, 7 и 8 состоит в том, что их выполняют N-канальными вместо двухканальных. В настоящее время все они реализованы в восьми- и шестнадцати- канальных вариантах и выпускаются серийно в представляемой авторами организации.

Блок преобразования Фурье 10 выполняют одноканальным, реализация которого известна и трудностей не вызывает.

Первый 13 и второй 15 блоки расчета взаимнокорреляционной функции представляют собой умножители на комплексно-сопряженные пары отсчетов. Реализуют на субмодуле цифрового приема ADMDDC2WB. Базовый модуль на базе платы ADPGOPCI v. 3.2 на процессоре Shark ADSH-21062 реализует функции дискретного преобразования Фурье (блок 10), операции комплексного умножения (блоки 13 и 15), мультиплексирования (блок 9), цифровых полосовых фильтров (блок 7), поиска максимума (блок 17), а также запоминания (блоки 11 и 16).

Реализация блока принятия решения 20 известна и широко освещена в литературе, может быть реализован на компараторах (см. Шевкопляс Б.В. Микропроцессорные структуры. Инженерные решения: Справочник. 2-е изд. перераб. и доп. - М: Радио и связь, 1990. - 512 с.).

Блок фильтрации выбросов 21 предназначен для формирования частотно-временной матрицы направлений {θ, β}, выполнения статистического анализа с целью поиска участков со сходными (с учетом известного СКО Δθ и Δβ) результатами измерений пространственных параметров, определения граничных частот и ширины ΔF_c этого участка частот, фильтрации выбросов {θ, β} из участка со сходными результатами измерений.

Для реализации названных функций на первую группу информационных входов блока 21 поступают значения {θ, β} обнаруженных сигналов в полосе приема ÷F РПУ 6 с группы информационных выходов блока 22.

На вторую группу информационных входов блока 21 поступают значения СКО Δθ и Δβс группы информационных выходов пятого блока памяти 24. Реализация блока трудностей не вызывает, может быть реализован в виде автомата на базе отечественного высокопроизводительного микропроцессора, например, к1810 ВМ86 (см. Вениаминов В.Н. и др. Микросхемы и их применение: Справочное пособие. - 3-е изд. перераб. и доп. - М: Радио и связь, 1990. - 512 с.) Алгоритм работы такого автомата приведен на фиг. 8.

Предлагаемые способ и устройство обнаружения и оценивания характеристик ШПС реализованы в представляемой авторами организации. Для этой цели использован восьмиканальный вариант реализации устройства.

В качестве АЭ АС 5 использованы логопериодические антенные элементы в количестве 8 штук. С их помощью обеспечивают прием радиосигналов в диапазоне 1-6 ГГц. С выходов АЭ сигналы поступают на соответствующие входы восьмиканального блока промежуточной частоты БПЧ, осуществляющий преобразование принятых сигналов в диапазон частот 700-800 МГц. Далее принятые сигналы поступают на соответствующие входы восьмиканального аналого-цифрового радиоприемного устройства. В его функции входит перенос принятых сигналов на промежуточную частоту 375 МГц. В качестве платформы цифровой обработки сигналов использована плата на базе ПЛИС XLINX Ultrascale XCKU060. По интерфейсу JESD к ПЛИС подключены 4 двухканальные АЦП Analog Devices AD9680 с тактовой частотой 500 МГц. По шине PCI-express ПЛИС передает данные в промышленный компьютер Osatek 031S.M АНД.46744.186 (Intel Xeon 2276ML), в котором осуществляют обработку сигнала.

Наибольшую эффективность способ и устройство проявили себя при обнаружении ШПС источников, размещенных на удаленных беспилотных летательных аппаратах (каналы управления и передачи данных). К ним относятся телеметрия и видеосигнал. Работу устройства рассмотрим на примере обнаружения нисходящих каналов передачи информации с борта БПЛА DJI Light Bridge. Последний использует пакетный сигнал с шириной полосы 10 МГц, длительностью пакета 10 мс и периодом излучения 14 мс.

Для обнаружения этого сигнала использованы следующие параметры устройства:

1. F_нач=2400 МГц,Р_кон=2480 МГц, f₀=1 МГц.

2. Т_мин=4.25 мс.

3. М=5120, L=5.

Это значит, что заданный диапазон частот 80 МГц разбивается на 80 полос шириной 1 МГц. По каждой из частот диапазона накапливается выборка М=5120 отсчетов сигнала. После этого на каждый из L=5 временных отрезков на каждой частотной составляющей выполняют усреднение уровня сигнала на длительность 0,85 мс с помощью функции взаимной корреляции каналов.

Далее по полученным усредненным отсчетам сигнала определяют направление его прихода {θ,β}. Результаты заносят в частотно-временную матрицу размером 5 × 80. Проходя построчно по данной матрице, определяют отрезки частот с одинаковым с точностью до СКО результатами пеленгования. Помечают эти отрезки для будущего анализа. Сопоставляют результаты анализа всех L интервалов времени, формируют общий для T_min результат. Далее очередность действий повторяют, на каждой очередной итерации выполняют обновление результатов обнаружения.

Для рассматриваемого типа сигнала ширина отрезков с одними результатами будет составлять 10 точек, что соответствует полосе частот 10 МГц. Принимают решение об успешном обнаружении ШПС, если в четырех из пяти моментах времени (начало или конец согнала) направление его прихода будут совпадать. С помощью предполагаемых способа и устройства могут быть успешно обнаружены ШПС БПЛА семейств DJI Lightbridge, DJI OcuSync (1, 2, 3), IEEE 802. Wifi и др. На фиг. 9 показан результат обнаружения ШПС с полосой в 10 МГц и ОСШ 1 дБ на фоне помех от других источников радиоизлучения.

Claims

1. Способ обнаружения и оценивания характеристик широкополосных сигналов (ШПС), включающий когерентный прием ШПС антенной системой (АС) из N идентичных антенных элементов (АЭ), N≥2, преобразование высокочастотных сигналов S(t) со всех N АЭ на промежуточную частоту радиоприемным устройством (РПУ) с общим гетеродином, преобразование сигналов всех N каналов в полосе приема РПУ ΔF(F_нач, F_кон) в цифровую форму , где F_нач и F_кон - граничные частоты полосы приема двухканального РПУ ΔF, i - частота преобразования сигнала, j - момент времени преобразования сигнала, n=1, 2, …, N, получение с помощью преобразования Фурье спектральных характеристик сигнала для каждого из N каналов приема в полосе одновременного обзора с заданным шагом дискретизации по частоте ƒ₀, накопление по каждой частотной составляющей и каждому N-му каналу приема М непрерывных по времени отсчетов сигнала, определение направления на источник сигнала как аргумент максимума синтезированной диаграммы направленности АС, отличающийся тем, что выполняют одновременное синхронное преобразование принятых сигналов S(t) на промежуточную частоту со всех N АЭ N-канальным РПУ с общим гетеродином и последующим одновременным их преобразованием в цифровую форму, интервал времени накопления М отсчетов сигнала по каждому из N каналов приема делят на K участков K=M/L, на каждом интервале K отсчетов сигнала каждой ƒ-й частотной позиции A_ƒ=(F_нач-F_кон)/ƒ₀ для сигналов всех N каналов приема рассчитывают взаимно корреляционную функцию (ВКФ) с сигналами n-го опорного канала, n=1, 2, …, N, который назначают по максимальному значению средней амплитуды сигнала на интервале K отсчетов, определяют эталонные значения сигнала {е₁, е₂, …, e_n] для r-го азимутального и m-го угломестного направлений его прихода с шагом дискретизации Δθ' по азимуту и Δβ' по угломестному направлениям в заданных секторах пеленгования {θ_min, θ_max} и {β_min, β_max) в соответствии с выражением

,

где x_n, y_n, z_n - координаты n-го антенного элемента, n=1…N, на основе набора измерений значений определяют направление {θ, β} на источник сигнала на i-й частоте в j-й момент времени путем расчета нормированной ВКФ d(θ, β) между измеренными и эталонными значениями {е₁, е₂, …, e_n}_r,m, для всех возможных азимутальных θ и угломестных β направлений с последующим поиском нормированной ВКФ d(θ_r, β_m) максимальным значением, аргумент которой соответствует наиболее вероятному направлению прихода сигнала, определяют непрерывные в диапазонах частоты и времени участки, на которых измеряемые параметры {θ, β} с учетом заданной погрешности измерений {Δθ, Δβ} постоянны, принимают решение об обнаружении ШПС, уточняют измеренные пространственные параметры на обнаруженный источник ШПС путем их усреднения , определяют крайние на выделенном участке частоты , на основе которых вычисляют значения средней частоты и ширину спектра ШПС, а при отсутствии ШПС в контролируемой полосе частот N-канальное РПУ перестраивают на другую полосу частот.

2. Устройство обнаружения и оценивания характеристик широкополосных сигналов (ШПС), содержащее антенную систему, выполненную из N≥2 идентичных антенных элементов (АЭ), расположенных в плоскости пеленгования и согласованным с местными условиями вариантом размещения, радиоприемное устройство (РПУ), выполненное по схеме с общими гетеродинами, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), блок цифровых полосовых фильтров, блок преобразования Фурье, последовательно соединенные блок расчета эталонных значений параметров и первый блок памяти, группа информационных входов блока расчета эталонных значений параметров является первой входной установочной шиной устройства обнаружения и оценивания характеристик ШПС, второй, третий, четвертый и пятый блоки памяти, блок определения пространственных параметров {θ, β), блок определения характеристик сигналов и генератор синхроимпульсов, выход которого соединен с входами синхронизации АЦП, блока преобразования Фурье, блока расчета эталонных значений параметров, первого, второго, третьего, четвертого и пятого блоков памяти, блока определения характеристик сигналов, отличающееся тем, что радиоприемное устройство, аналого-цифровой преобразователь и блок цифровых полосовых фильтров выполняют N-канальными, а блок преобразования Фурье одноканальным, дополнительно введены мультиплексор, N информационных входов которого соединены с соответствующими N информационными выходами блока цифровых полосовых фильтров, информационные входы которого соединены с соответствующими N информационными выходами N-канального АЦП, N информационных входов которого соединены с соответствующими N информационными выходами РПУ, N информационных входов которого соединены с выходами соответствующих АЭ антенной системы, а информационный выход мультиплексора соединен с информационным входом блока преобразования Фурье, информационный выход которого соединен с информационным входом второго блока памяти, группа входов управления которого является третьей входной установочной шиной устройства обнаружения и оценивания характеристик ШПС, блок выбора опорного канала, предназначен для определения на интервале времени L канала с максимальной амплитудой сигнала, группа информационных входов которого соединена с группой информационных выходов второго блока памяти, первый блок расчета взаимно корреляционной функции (ВКФ), группа информационных входов которого соединена с группой информационных выходов блоков выбора опорного канала, а группа информационных выходов соединена с группой информационных входов третьего блока памяти, второй блок расчета ВКФ, первая группа информационных входов которого соединена с группой информационных выходов третьего блока памяти, вторая группа информационных входов соединена с группой информационных выходов первого блока памяти, а группа информационных выходов соединена с группой информационных входов четвертого блока памяти, блок определения максимума предназначен для нахождения максимума функции корреляции набора усредненных отсчетов сигнала , группа информационных входов которого соединена с группой информационных выходов четвертого блока памяти, а группа информационных выходов соединена с группой информационных входов блока определения пространственных параметров, блок фильтрации выбросов предназначен для селекции результатов измерения пространственных параметров θ и β, не укладывающихся в заданные значения погрешностей оценивания Δθ и Δβ, первая группа информационных входов которого соединена с группой информационных выходов блока определения пространственных параметров, вторая группа информационных входов соединена с группой информационных выходов пятого блока памяти, группа информационных входов которого является второй входной установочной шиной устройства обнаружения и оценивания характеристик ШПС, блок принятия решения предназначен для анализа частотно-временной матрицы направлений прихода сигнала, сформированной блоком фильтрации выбросов, и принятия решения на его основе об обнаружении ШПС, группа информационных входов которого соединена с группой информационных выходов блока фильтрации выбросов, блок усреднения пространственных параметров предназначен для усреднения совокупностей пространственных параметров соответственно θ и β обнаруженного ШПС, группа информационных входов которого соединена с первой группой информационных выходов блока принятия решения, вторая группа информационных выходов которого соединена с группой входов управления N-канального радиоприемного устройства, а группа информационных выходов блока усреднения пространственных параметров соединена с группой информационных входов блока определения характеристик сигналов, предназначенный для определения ширины спектра ШПС и его центральной частоты, группа информационных выходов которого является выходной шиной устройства обнаружения и оценивания характеристик ШПС, а выход генератора синхроимпульсов соединен со входами синхронизации мультиплексора, блока выбора опорного канала, первого и второго блоков расчета ВКФ, блока поиска максимума, блока определения характеристик сигналов, блока усреднения пространственных параметров, блока принятия решения и блока фильтрации выбросов.