RU2410712C1

RU2410712C1 - Способ обнаружения воздушных объектов

Info

Publication number: RU2410712C1
Application number: RU2009122529/09A
Authority: RU
Inventors: Валерий Николаевич Шевченко (RU); Валерий Николаевич Шевченко; Николай Григорьевич Пархоменко (RU); Николай Григорьевич Пархоменко; Геннадий Георгиевич Вертоградов (RU); Геннадий Георгиевич Вертоградов
Priority date: 2009-06-11
Filing date: 2009-06-11
Publication date: 2011-01-27

Abstract

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах контроля воздушного пространства с использованием прямых и отраженных от воздушных объектов сигналов, излучаемых множеством неконтролируемых и контролируемых передатчиков радиоэлектронных систем различного назначения. Достигаемым техническим результатом изобретения является повышение эффективности (информативности, точности и вычислительной эффективности) поиска, пространственной локализации и идентификации типа широкого класса воздушных объектов одной станцией обнаружения-пеленгования в условиях априорной неопределенности формы, размеров и отражающих свойств объектов. Указанный результат достигается за счет дополнительной информации, извлекаемой путем идентификации и выделения из множества принятых сигналов подмножества энергетически эффективных отраженных от обнаруживаемых воздушных объектов сигналов и использования выделенного подмножества сигналов для избирательного поиска, пространственной локализации и идентификации типа широкого класса воздушных объектов. 2 з.п. ф-лы, 9 ил.

Description

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах контроля воздушного пространства с использованием прямых и отраженных от воздушных объектов сигналов, излучаемых множеством неконтролируемых и контролируемых передатчиков радиоэлектронных систем различного назначения.

Достижение высокой эффективности обнаружения, локализации и идентификации воздушных объектов ограничивается существенной априорной неопределенностью размеров, ориентации в пространстве, отражающих свойств и параметров движения объектов, а также несовершенством известных способов обнаружения и слежения за воздушными объектами.

Технология пассивного обнаружения и слежения за воздушными объектами, использующая естественную "подсветку" воздушных целей, создаваемую на множестве частот радиоизлучениями передатчиков различного назначения в диапазонах коротких, метровых, дециметровых и сантиметровых волн: широковещательные (коммерческое FM-радиовещание, телевидение высокой четкости), информационные (связь) и измерительные (управление, навигация), пока еще не получила достаточного распространения, несмотря на то, что может существенно повысить скрытность и эффективность обнаружения, пространственной локализации и идентификации широкого класса подвижных объектов.

Известен способ обнаружения воздушных объектов [1], заключающийся в том, что

принимают решеткой антенн многочастотные радиосигналы в полосе приема, во много раз превышающей ширину спектра одиночного радиосигнала передатчика,

формируют комплексные временные спектры радиосигналов каждой антенны и спектр мощности радиосигнала опорной антенны,

по спектру мощности радиосигнала опорной антенны обнаруживают сигналы передатчиков,

по комплексным временным спектрам формируют двумерные комплексные угловые спектры обнаруженных передатчиков,

по угловым спектрам определяют азимутальные и угломестные пеленги передатчиков,

а после сравнения угломестных пеленгов β с порогом разделяют передатчики на наземные и воздушные и определяют наклонную дальность R до передатчиков воздушных целей по формуле R=H/sinβ, где H - известная высота полета цели.

Данный способ обеспечивает эффективное обнаружение воздушных объектов, оснащенных передатчиками радиосигналов. Однако в условиях радиомолчания данный способ теряет свою эффективность.

Более эффективным является способ обнаружения воздушных объектов [2], свободный от этого недостатка и выбранный в качестве прототипа. Согласно этому способу:

выбирают передатчики, излучающие радиосигналы с расширенным спектром,

синхронно принимают решеткой антенн на множестве частот поиска многолучевые радиосигналы, включающие прямые радиосигналы передатчиков и отраженные от объектов радиосигналы этих передатчиков,

синхронно преобразуют ансамбль принятых антеннами радиосигналов в цифровые сигналы,

на каждой частоте поиска из цифровых сигналов формируют прямые и сжатые отраженные сигналы,

сравнивают на каждой частоте поиска выделенные прямые и отраженные сигналы и определяют временные задержки, доплеровские сдвиги и направления прихода отраженных сигналов,

по временным задержкам, доплеровским сдвигам и направлениям прихода выполняют обнаружение и пространственную локализацию воздушных объектов.

Способ-прототип не требует наличия на борту обнаруживаемого воздушного объекта передатчика, излучающего радиосигналы, так как обеспечивает обнаружение и слежение за воздушными объектами, используя естественную "подсветку" воздушных объектов, создаваемую на множестве частот радиоизлучениями передатчиков различного назначения. Эффективность способа-прототипа зависит от ряда факторов, из которых наиболее важны геометрическое расположение источников излучения, их мощность и эффективная площадь рассеяния цели.

Однако при обнаружении широкого класса воздушных объектов в условиях априорной неопределенности формы, размеров и отражающих свойств объектов данный способ теряет свою эффективность.

Потеря эффективности связана с тем, что при наличии большого разнообразия целей (большие, средние, малые самолеты и беспилотные летательные аппараты, вертолеты, ракеты, спускаемые аппараты) практически невозможно заранее обеспечить оптимальный набор факторов их эффективного обнаружения. Это обусловлено тем, что диаграмма рассеяния сложной цели, примером которой является, например, самолет, существенно зависит от направлений облучения и приема, а также от отношения характерных размеров цели и длины волны (частоты) облучения. Чем больше отношение характерного размера цели к длине волны, тем сильнее проявляется интерференционный характер зависимости эффективной отражающей площади цели от угла наблюдения. При этом изменение направления облучения или приема на доли градуса может изменить уровень отраженного сигнала на десятки децибел. Аналогичные изменения уровня отраженного сигнала наблюдаются при изменении частоты облучающего сигнала.

В связи с этим основной недостаток способа-прототипа (потеря эффективности обнаружения в условиях априорной неопределенности формы, размеров и отражающих свойств объектов) может быть устранен применением операций адаптивной обработки принятых на множестве частот поиска отраженных сигналов.

Техническим результатом изобретения является повышение эффективности (информативности, точности и вычислительной эффективности) поиска, пространственной локализации и идентификации типа широкого класса воздушных объектов одной станцией обнаружения-пеленгования в условиях априорной неопределенности формы, размеров и отражающих свойств объектов.

Повышение эффективности достигается за счет дополнительной информации, извлекаемой путем идентификации и выделения из множества принятых сигналов подмножества энергетически эффективных отраженных от обнаруживаемых воздушных объектов сигналов и использования выделенного подмножества сигналов для избирательного поиска, пространственной локализации и идентификации типа широкого класса воздушных объектов.

Технический результат достигается тем, что в способе обнаружения воздушных объектов, заключающемся в том, что выбирают передатчики, излучающие радиосигналы с расширенным спектром, синхронно принимают решеткой антенн на множестве частот поиска многолучевые радиосигналы, включающие прямые сигналы передатчиков и отраженные от объектов сигналы этих передатчиков, синхронно преобразуют ансамбль принятых антеннами сигналов в цифровые сигналы, на каждой частоте поиска из цифровых сигналов формируют цифровые прямые и сжатые отраженные сигналы, согласно изобретению на множестве частот поиска идентифицируют направления прихода сжатых отраженные сигналов, из сжатых отраженных сигналов каждого направления выделяют и запоминают энергетически эффективные сжатые отраженные сигналы и соответствующее им сокращенное множество частот поиска, которые используют для избирательного поиска, пространственной локализации и идентификации типа широкого класса воздушных объектов.

Возможны частные случаи осуществления способа:

1. Идентификацию направлений прихода сжатых отраженных сигналов на множестве частот поиска осуществляют путем формирования по множеству частот поиска трехмерной выборочной функции распределения (ВФР) сжатых отраженных сигналов по азимуту, углу места и временной задержке, определения количества максимумов ВФР, идентификации каждого максимума ВФР как отдельное направление прихода сжатых отраженных сигналов с соответствующими этим максимумам значениями азимута, угла места и задержки.

Это повышает информативность поиска и пространственной локализации.

2. Выделение энергетически эффективных сжатых отраженных сигналов каждого направления и соответствующего им сокращенного множества частот поиска осуществляют путем формирования амплитудно-частотного распределения (АЧР) сжатых отраженных сигналов направления, сравнения АЧР с порогом и выделения энергетически эффективных сжатых отраженных сигналов направления и соответствующего сокращенного множества частот поиска.

Это повышает точность последующей локализации и идентификации широкого класса объектов за счет адаптации к флуктуациям отраженных сигналов, интенсивность которых существенно зависит от отношения характерных размеров объектов и длины волны (частоты) облучения, а также от направлений облучения и приема сигнала.

3. Избирательный поиск, пространственную локализацию и идентификацию типа широкого класса воздушных объектов осуществляют путем усреднения на сокращенном множестве частот значений задержки, относительного доплеровского сдвига, азимутов и углов места сжатых сигналов каждого i-го направления, обнаружения и формирования пространственных координат i-го воздушного объекта по усредненным значениям задержки, относительного доплеровского сдвига, азимута и угла места сжатых сигналов i-го направления, вычисления эффективной отражающей площади (ЭОП) i-го объекта на каждой частоте сокращенного множества по значениям его дальности, мощности отраженного сигнала i-го направления и мощности излучения радиопередатчика, идентификации типа i-го объекта по среднему значению ЭОП.

Это повышает точность пространственной локализации объектов, а также информативность и вычислительную эффективность поиска широкого класса воздушных объектов.

Таким образом, за счет дополнительной информации, извлекаемой путем идентификации и выделения из множества принятых сигналов подмножества энергетически эффективных отраженных от обнаруживаемых воздушных объектов сигналов и использования выделенного подмножества сигналов для избирательного поиска, пространственной локализации и идентификации типа широкого класса воздушных объектов удается решить поставленную задачу с достижением указанного технического результата.

Операции способа поясняются чертежами:

Фиг.1. Структурная схема устройства, реализующего предложенный способ обнаружения воздушных объектов;

Фиг.2. Схема функционирования устройства, реализующего предложенный способ обнаружения воздушных объектов;

Фиг.3. Сечения модуля комплексной двумерной взаимно корреляционной функции;

Фиг.4. Трехмерная выборочная функция распределения сжатых отраженных сигналов;

Фиг.5. Особенности формирования элементов трехмерной выборочной функции распределения;

Фиг.6. Диаграммы рассеяния объекта;

Фиг.7. Схема выделения энергетически эффективных сжатых сигналов лучей и соответствующего им сокращенного множества частот поиска;

Фиг.8. Схема определения координат воздушного объекта;

Фиг.9. Схема определения координат воздушного объекта при использовании одного передатчика.

Устройство (фиг.1), в котором реализуется предложенный способ, содержит последовательно соединенные систему приема и предварительной обработки 1, систему моделирования и выбора радиопередатчиков (РПД) 2 и вычислительную систему 3.

В свою очередь система приема и предварительной обработки 1 включает К устройств приема и обработки 1-k, каждое из которых состоит из антенной решетки 1-k-1,

, преобразователя частоты 1-k-2, аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 1-k-3, формирователя прямого сигнала 1-k-4, формирователя сжатых отраженных сигналов 1-k-5, АЦП 1-k-6, преобразователя частоты 1-k-7 и антенной решетки 1-k-8.

Вычислительная система 3 включает устройство идентификации 3-1, формирователь сокращенного множества сигналов 3-2, устройство обнаружения, локализации и идентификации объектов 3-3 и устройство отображения 3-4.

При этом система 2 соединена с входами устройств 3-3 и 3-4, а также имеет интерфейс для соединения с внешней базой РПД. Кроме того, устройство 3 имеет выход, предназначенный для подключения к внешним системам.

Подсистема 1 является аналогово-цифровым устройством и предназначена для многоканального приема на множестве K частот поиска и предварительной обработки прямых сигналов передатчиков и отраженных от воздушных объектов сигналов этих передатчиков.

Каждое устройство 1-k предназначено для приема на отдельной k-й частоте многолучевого радиосигнала и формирования из принятого радиосигнала цифрового прямого сигнала передатчика и цифровых сжатых отраженных от воздушных объектов сигналов этого передатчика. При этом антенная решетка 1-k-1, преобразователь 1-k-2, АЦП 1-k-3 и формирователь 1-k-4 предназначены для формирования прямого сигнала передатчика, а антенная решетка 1-k-8, преобразователь 1-k-7, АЦП 1-k-6 и формирователь 1-k-5 предназначены для формирования сжатых отраженных от воздушных объектов радиосигналов этого передатчика.

Отметим, что возможны случаи, когда радиосигнал передатчика априорно известен. В таких случаях прямой сигнал передатчика может быть сформирован путем моделирования в системе 2. При этом канал приема и обработки, включающий антенную решетку 1-k-1, преобразователь 1-k-2, АЦП 11-k-3 и формирователь 1-k-4, может быть использован для приема и формирования сжатых отраженных сигналов на дополнительной частоте поиска. В связи с этим число используемых передатчиков и, следовательно, одновременно контролируемых частот может достигать 2K.

Устройства 1-k системы 1 могут быть идентичными. Для этого эти устройства должны быть выполнены в сверхширокополосном исполнении. Более простым может быть вариант построения устройств 1-k, при котором эти устройства перекрывают смежные поддиапазоны рабочих частот.

Антенные решетки 1-k-1 и 1-k-8 состоят из N антенн с номерами

. Каждая антенна является направленной и содержит экран для улучшения направленности. Пространственная конфигурация антенной решетки должна обеспечивать измерение азимутально-угломестного направления прихода радиосигналов и может быть произвольной пространственной конфигурации: плоской прямоугольной, плоской кольцевой или объемной, в частности конформной. Для улучшения различения сигналов не только по пространству, но и по поляризации требуется существенное различие поляризационных откликов антенн решетки, то есть антенная решетка должна быть неоднородной (гетерогенной), то есть должна иметь антенные элементы с отличающимися векторными диаграммами направленности.

Преобразователи частоты 1-k-2 и 1-k-7 являются N-канальными, выполнены с общим гетеродином и с полосой пропускания каждого канала, изменяемой в соответствии с шириной спектра принимаемого радиосигнала. Общий гетеродин обеспечивает многоканальный когерентный прием сигналов.

АЦП 1-k-3 и 1-k-6 также являются N-канальными и синхронизированы сигналом опорного генератора (для упрощения опорный генератор на схеме не показан).

Если разрядность и быстродействие АЦП достаточны для непосредственного аналого-цифрового преобразования входных сигналов, как, например, в KB-диапазоне, то вместо преобразователей частоты 1-k-2 и 1-k-7 могут использоваться частотно избирательные полосовые фильтры и усилители. Кроме этого, каждый преобразователь частоты 1-k-2 и 1-k-7 обеспечивает подключение одной из антенн вместо всех антенн решетки для периодической калибровки каналов по внешнему источнику сигнала с целью устранения их амплитудно-фазовой неидентичности. Возможна калибровка по внутреннему источнику сигнала. При этом может быть использован генератор шума, выход которого также подключается вместо всех антенн для периодической калибровки каналов.

Формирователи 1-k-4 и 1-k-5 представляют собой вычислительные устройства и предназначены для формирования соответственно прямого и сжатых отраженных цифровых сигналов.

Подсистема 2 является вычислительным устройством и предназначена для идентификации, отбора и периодического обновления совокупности передатчиков, облучающих заданную область воздушного пространства радиосигналами с расширенным спектром, а также формирования модельных сигналов выбранных передатчиков.

Вычислительная система 3 предназначена для идентификации направлений прихода отраженных сигналов или, другими словами, разделения всего множества отраженных сигналов на группы, отличающиеся направлениями прихода сигналов. Кроме того, система 3 предназначена для формирования сокращенного множества энергетически эффективных сжатых отраженных сигналов каждого направления, обнаружения воздушных объектов с использованием сокращенного множества энергетически эффективных сжатых отраженных сигналов, формирования пространственных координат и идентификации типа обнаруженных воздушных объектов.

Укрупненная схема функционирования устройства, реализующего предложенный способ обнаружения воздушных объектов, представлена на фиг.2. Схема включает четыре передатчика РПД1, …, РПД4, излучающих радиосигналы с расширенным спектром на множестве частот f_k=1, …, f_k=4, а также станцию обнаружения-пеленгования (СОП). Радиосигналы передатчиков РПД 1, …, РПД4 распространяются земной волной, которая принимается станцией обнаружения-пеленгования в виде прямых радиосигналов, а также облучающей заданную область воздушного пространства прямой волной, принимаемой станцией обнаружения-пеленгования в виде отраженных от воздушного объекта радиосигналов.

В станции обнаружения-пеленгования на каждой частоте f_kформируется прямой сигнал, который используется в качестве опорного сигнала при корреляционном разделении многолучевого сигнала на отдельные лучи, т.е. при формировании сжатых отраженных от воздушных объектов сигналов. Из отраженных сигналов выделяются энергетически эффективные сжатые отраженные сигналы и соответствующее им сокращенное множество частот поиска, которые используются для обнаружения, пространственной локализации и идентификации воздушных объектов.

Передатчики РПД1, …, РПД4 могут быть условно разделены на два класса: неконтролируемые (неуправляемые) и контролируемые (управляемые). Например, если передатчики РПД1, РПД2 и РПД4 специально не создавались для совместной работы со станцией обнаружения-пеленгования и не имеют линий связи со станцией обнаружения-пеленгования, они могут рассматриваться как неконтролируемые (неуправляемые). В качестве неконтролируемых передатчиков могут быть выбраны любые системы или устройства, излучающие в диапазонах коротких, метровых, дециметровых и сантиметровых волн радиосигналы с расширенным спектром и удовлетворяющие следующим требованиям: пространственное размещение, обеспечивающее прямую видимость между передатчиком и системой обнаружения (если параметры радиосигнала с точностью до синхронизации априорно известны, то прямая видимость между передатчиком и системой обнаружения не требуется); тип, частота и мощность излучаемого радиосигнала; отсутствие взаимных интерференционных помех на рабочей частоте передатчика. Примером неконтролируемых передатчиков могут быть широкополосные передатчики цифрового радио- и телевещания, передатчики и ретрансляторы сотовой связи, а также все возрастающее множество широкополосных передатчиков информационных и измерительных радиосистем. Если передатчик РПДЗ специально создан для решения задачи обнаружения воздушных объектов совместно со станцией обнаружения-пеленгования, то этот передатчик может быть отнесен к классу контролируемых (управляемых). При этом для управления его режимами работы предусмотрена линия связи со станцией обнаружения-пеленгования (см. фиг.2).

Устройство работает следующим образом.

В системе 2 на основе данных внешней базы радиопередатчиков, а также данных об обнаруженных передатчиках, поступающих от формирователей 1-k-4, с использованием программных средств моделирования идентифицируется, выбирается и периодически обновляется совокупность передатчиков, излучающих радиосигналы с расширенным спектром. При моделировании оцениваются возможные зоны покрытия, вероятности обнаружения и достижимые точности локализации и идентификации воздушных объектов различного класса, которые могут быть обеспечены при различных вариантах размещения передатчиков относительно станции обнаружения-пеленгования. Кроме того, в системе 2 формируются модельные сигналы передатчиков, которые могут быть использованы вместо реальных прямых сигналов передатчиков при априорно известных параметрах синхронизации.

Параметры выбранного множества передатчиков (номер j=1, …, J, несущая частота, ширина спектра, форма и мощность излучаемого сигнала, координаты или расстояние и угловое положение относительно СОП) запоминаются в подсистеме 2, поступают в устройства 3-3 и 3-4, а также используются для настройки преобразователей 1-k-2 и 1-k-7. С целью упрощения цепи управления преобразователями не показаны.

По сигналу системы 2 каждая пара преобразователей частоты 1-k-2 и 1-k-7 перестраивается на заданную частоту приема f_k.

Многолучевые радиосигналы, включающие прямые сигналы передатчиков с расширенным спектром и отраженные от объектов сигналы этих передатчиков, синхронно принимаются K парами антенных решеток 1-k-1 и 1-k-8 на множестве частот поиска f_k,

. При этом обеспечивается одновременный прием радиосигналов выбранного множества J=K передатчиков.

Принятый каждым антенным элементом с номером n каждой антенной решетки 1-k-1 и 1-k-8 зависящий от времени t радиосигнал x_kn(t) фильтруется по частоте и переносится на более низкую частоту в каждом преобразователе 1-k-2 и 1-k-7.

Сформированный в преобразователях 1-k-2 и 1-k-7 ансамбль радиосигналов x_kn(t) синхронно преобразуется с помощью АЦП 1-k-3 и 1-k-6 в ансамбль цифровых сигналов x_kn(z), где z - номер временного отсчета сигнала, который поступает в формирователи 1-k-4 и 1-k-5.

В каждом формирователе 1-k-4 из цифровых сигналов x_kn(z) формируется цифровой прямой сигнал j-го передатчика, излучающего на частоте f_k, и определяются параметры сформированного сигнала.

Формирование цифрового прямого сигнала передатчика может быть осуществлено различными способами, например путем адаптивной пространственной фильтрации цифровых сигналов x_kn(z) [3, стр.7].

Сформированный цифровой прямой сигнал j-го передатчика поступает в формирователь 1-k-5. Кроме того, цифровой прямой сигнал и его параметры (частота f_k, азимутально-угломестное направление прихода и уровень сигнала) поступают в систему 2, где запоминаются.

В каждом формирователе 1-k-5 из цифровых сигналов x_kn(z) и цифрового прямого сигнала передатчика, поступившего от формирователя 1-k-4, формируются цифровые сжатые отраженные от объектов на частоте сигналы.

Формирование сжатых отраженных сигналов и определение их параметров (временная задержка τ_kp, абсолютный доплеровский сдвиг F_kp, азимутальное α_kpи угломестное β_kp направление прихода, амплитуда α_kp, где p - номер сформированного сжатого сигнала на частоте f_k) может быть осуществлено различными способами взаимно корреляционной обработки прямого и многолучевого сигналов. Например, следуя [4], в формирователе 1-k-5 выделение сжатых отраженных сигналов может осуществляться путем формирования на частоте f_k зависящих от временного τ и частотного F сдвигов комплексных двумерных взаимно корреляционных функций (ДВКФ) -

между принятым каждой n-й антенной решетки цифровым многолучевым сигналом x_kn(z) и сформированным в формирователе 1-k-4 цифровым прямым сигналом, усреднения модулей комплексных ДКФВ

определения по максимумам усредненной ДКФВ

числа сжатых сигналов и фиксации значений задержки по времени τ_kp и абсолютного доплеровского сдвига F_kp каждого p-го сжатого сигнала, идентификации соответствующих отдельному максимуму усредненной ДКФВ

составляющих комплексных ДКФВ

как сжатый по времени и частоте p-й сигнал, выделения и запоминания значений идентифицированных составляющих комплексных ДКФВ

а также значений задержки по времени τ_kp и абсолютного доплеровского сдвига F_kp каждого p-го сжатого сигнала.

Отметим, что в тех случаях, когда радиосигнал передатчика априорно известен, выделение сжатых отраженных сигналов может осуществляться путем формирования зависящих от временного τ и частотного F сдвигов комплексных ДВКФ

между принятым каждой n-й антенной решетки цифровым многолучевым сигналом x_kp(z) и сформированным в системе 2 цифровым модельным прямым сигналом, синхронизированным с облучающим сигналом.

На фиг.3 в качестве примера изображены три сечения по задержке τ_kp (дальности) при различных доплеровских сдвигах F_kp модуля комплексной ДВКФ, зависящей от частотного и от временного сдвигов трехлучевого, p=1, 2, 3, радиосигнала, принятого n-ой антенной решетки 1-k-8 на частоте f_k. Видно, что первый сжатый сигнал имеет нулевой абсолютный доплеровский сдвиг и наименьшее значение временной задержки. Менее мощные второй и третий сжатые сигналы отличаются от первого сигнала значениями временных задержек и абсолютных доплеровских сдвигов. Физически это может соответствовать случаю приема на частоте f_k прямого сигнала передатчика и двух сигналов, отраженных от двух воздушных объектов, перемещающихся относительно станции обнаружения-пеленгования на различных дальностях и с различными радиальными скоростями.

При определении в формирователе 1-k-5 азимутально-угломестных направлений прихода сжатых отраженных сигналов, например, с использованием способа [5] по выделенным значениям p-ых идентифицированных составляющих комплексных ДКФВ

синтезируется комплексный двумерный угловой спектр, по максимумам модуля которого определяется азимутально-угломестное направление прихода (α_kp, β_kp) p-го сжатого сигнала.

Таким образом, на данном этапе в формирователях 1-k-5 на каждой частоте f_k выбранного множества частот поиска f_k=1, …, f_k=K сформированы и выделены сжатые отраженные сигналы

а также определены временная задержка τ_kp, абсолютный доплеровский сдвиг F_kp, азимутально-угломестное направление прихода (α_kp, β_kp) и амплитуда

каждого p-го сжатого сигнала.

Сформированные на заданных частотах поиска f_k=1, …, f_k=K сжатые отраженные сигналы и их параметры поступают на вход устройства 3-1, где запоминаются.

В устройстве 3-1 на множестве частот поиска идентифицируются направления прихода сжатых отраженных сигналов.

С целью повышения информативности идентификация направлений прихода сжатых отраженных сигналов на множестве частот поиска осуществляется следующим образом:

- формируется во множестве частот поиска трехмерная выборочная функция распределения (ВФР) сжатых отраженных сигналов по азимуту α, углу места β и временной задержке τ;

- определяется количество максимумов ВФР;

- идентифицируется каждый максимум ВФР как отдельное направление прихода сжатых отраженных сигналов с соответствующими этим максимумам значениями азимута α_i, угла места β_i и временной задержки τ_i, где i - номер идентифицированного направления прихода сжатых отраженных сигналов.

В качестве события, используемого при формировании трехмерной ВФР, выбирается событие, заключающееся в попадании оценок азимута α_kp, угла места β_kp и задержки τ_kp сжатых отраженных сигналов в трехмерный элемент объема [α_ν, α_ν+Δα; β_µ, β_µ+Δβ; τ_l, τ_l+Δτ], где

- номер элемента (ячейки) ВФР по азимуту,

- номер элемента ВФР по углу места,

- номер элемента ВФР по задержке, а [Δα; Δβ; Δτ] - размер элементов объема по азимуту, углу места и задержке соответственно.

Размер элемента (ячейки) ВФР определяется исходя из требуемой разрешающей способности по азимуту α, углу места β и задержке τ.

В наиболее типичной ситуации размеры ячеек равны: по азимуту и углу места соответственно 3 и 5 градусов, а по задержке 1-5 мкс в зависимости от диапазона частот.

На фиг.4 представлена трехмерная ВФР для случая прихода отраженных сигналов по пяти направлениям: 1 - (α=60°, β=10°); 2 - (α=60°, β=50°); 3 - (α=230°, β=40°); 4 - (α=30°, β=15°); 5 - (α=290°, β=15°).

На фиг.5 показаны особенности формирования элементов трехмерной выборочной функции распределения по множеству частот поиска f_k=1, …, f_k=K. При этом на плоскости "азимут-задержка" (фиг.5а) наблюдаются четыре направления прихода отраженных сигналов, отличающиеся азимутами. Два направления α=30° и α=290° содержат сигналы, совпадающие по задержке, равной τ_k=8 мкс. С другой стороны, на плоскости "угол места - задержка" (фиг.5б) также наблюдаются четыре направления, отличающиеся углами места. Сигналы двух направлений совпадают по задержке, равной τ_k=1 мкс. Однако из совместного рассмотрения фиг.5а и фиг.5б следует, что на множестве частот поиска f_k=1, …, f_k=5 наблюдается пять направлений прихода отраженных сигналов: для τ_k=1 мкс - (α=60°, β=10°) и (α=60°, β=50°); для τ_k=4 мкс - (α=230°, β=40°); для τ_k=8 мкс - (α=30°, β=15°) и (α=290°, β=15°).

Физически это соответствует случаю, когда на дальности, соответствующей задержке τ_k=4 мкс, присутствует один объект, а на дальностях, соответствующих задержкам τ_k=1 мкс и τ_k=8 мкс, присутствуют по две цели, в первом случае совпадающие по азимуту, а во втором случае совпадающие по углу места.

Идентифицированные направления прихода сжатых отраженных сигналов (азимут α_i и угол места β_i) и соответствующие значения временных задержек τ_i, а также сжатые отраженные сигналы каждого направления

и их параметры (множество частот поиска f_k=1,…,f_k=K, временная задержка

, абсолютный доплеровский сдвиг

и азимутально-угломестное направление прихода

и амплитуда

каждого p-го сжатого сигнала) поступают в формирователь 3-2.

В формирователе 3-2 из сжатых отраженных сигналов каждого i-го направления выделяются и запоминаются энергетически эффективные сжатые отраженные сигналы и соответствующее им сокращенное множество частот поиска.

Для повышения отношения сигнал/помеха в формирователе 3-2 выделение энергетически эффективных сжатых отраженных сигналов каждого направления и соответствующего им сокращенного множества частот поиска осуществляется следующим образом:

- формируется амплитудно-частотное распределение (АЧР) сжатых отраженных сигналов направления;

- сравнивается АЧР с порогом и при превышении порога выделяются энергетически эффективные сжатые отраженные сигналы направления и соответствующее сокращенное множество частот поиска.

Порог выбирается исходя из минимизации вероятности пропуска цели.

На фиг.6 представлены типичные диаграммы рассеяния воздушного объекта, одновременно полученные на двух частотах. Из фиг.6 следует, что уровень отраженного сигнала, принимаемого на разных частотах f₁ и f₂ в точке размещения СОП, может существенно (на 10 дБ и более) отличаться. Отсюда вытекает необходимость исключения слабых отраженных сигналов и выделения энергетически эффективных сигналов для каждого направления прихода и соответствующего им сокращенного множества частот поиска.

На фиг.7 приведена схема выделения энергетически эффективных отраженных сигналов и соответствующего им сокращенного множества частот поиска. Выделение этих энергетически эффективных сигналов обеспечивает повышение точности локализации воздушных объектов. Кроме того, это позволяет примерно в 2 раза сократить множество частот поиска и, как следствие, примерно в 2 раза повысить вычислительную эффективность последующего обнаружения и локализации воздушных объектов.

Таким образом, на данном этапе в формирователе 3-2 выделяются энергетически эффективные отраженные сигналы каждого направления и соответствующее им сокращенное множество частот поиска. Это наделяет станцию обнаружения-пеленгования воздушных объектов свойствами адаптивности к флуктуациям отраженного сигнала. Флуктуации отраженного сигнала существенно зависят от отношения характерных размеров объекта и длины волны (частоты) облучения, а также от направлений облучения и приема сигнала.

Данные операции являются ключевыми для повышения качества последующего обнаружения, пространственной локализации и идентификации широкого класса воздушных объектов.

Энергетически эффективные отраженные сигналы, их параметры и соответствующее сокращенное множество частот поиска поступает в устройство 3-3.

В устройстве 3-3 энергетически эффективные сжатые сигналы направлений и соответствующее им сокращенное множество частот поиска используются для избирательного поиска, пространственной локализации и идентификации типа широкого класса воздушных объектов.

Для повышения эффективности в устройстве 3-3 избирательный поиск, пространственная локализация и идентификация типа широкого класса воздушных объектов осуществляется следующим образом:

- усредняются на сокращенном множестве частот поиска K⁽ⁱ⁾ значения задержки

относительного доплеровского сдвига

азимутов

и углов места

сжатых сигналов каждого i-го направления;

- обнаруживается i-й воздушный объект и определяются его пространственные координаты по усредненным значениям задержки

относительного доплеровского сдвига

азимута

и угла места

сжатых сигналов i-го направления.

При этом выполняются следующие действия:

1) сравниваются с порогом усредненные значения абсолютного доплеровского сдвига

и угла места

, сигналов i-го направления и при превышении порога принимаются решения об обнаружении i-го воздушного объекта.

Порог выбирается исходя из минимизации вероятности пропуска объекта;

2) определяется абсолютная задержка сигнала, отраженного от i-го объекта.

При этом, если параметры синхронизации сигнала j-го передатчика априорно известны, то абсолютная задержка сигнала j-го передатчика, отраженного от i-го объекта, равна усредненному значению задержки

i-го направления.

Если параметры синхронизации сигнала j-го передатчика априорно неизвестны, то выполняются следующие действия:

а) из усредненных значений задержек

i-ых направлений выбирается задержка с минимальным значением;

б) значение выбранной задержки идентифицируется как значение задержки

прямого сигнала j-го передатчика;

в) определяются относительные задержки для каждого i-го направления

г) определяется абсолютная задержка сигнала, отраженного от i-го объекта, по следующей формуле:

где r_j - расстояние между СОП и j-м передатчиком, а c - скорость света;

3) для каждой пары «СОП - j-й передатчик» строится эллипсоид равных задержек как геометрическое место точек в пространстве, сумма задержек на распространение до которых (от j-го передатчика до i-го объекта и от i-го объекта до СОП) равна найденному значению абсолютной задержки τ_ij;

4) по пересечению множества j=1,…,J эллипсоидов равных задержек определяются географические координаты i-го обнаруженного объекта.

На фиг.8 в качестве примера приведена схема определения координат низколетящего объекта, когда эллипсоиды в пространстве могут быть заменены эллипсами на земной поверхности.

Для однозначного определения координат i-го обнаруженного объекта описанным способом требуется не менее трех передатчиков, расположенных не на одной линии.

Возможно однозначное определение координат i-го обнаруженного объекта при использовании только одного передатчика.

При определении географических координат i-го обнаруженного объекта с использованием одного передатчика в устройстве 3-3 выполняются следующие действия:

1) выбирается соответствующая максимально эффективному отраженному от i-го объекта сигналу пара «СОП - j-й передатчик»;

2) по значению абсолютной задержки сигнала τ_ij определяется кажущаяся дальность до i-го объекта D_i=τ_ijc,

3) определяются пространственные координаты i-го обнаруженного объекта по кажущейся дальности D_i и усредненным значениям азимута

и угла места

сигналов i-го направления, например, в соответствии с [6].

При этом для выбранной пары «СОП - j-й передатчик» строится эллипсоид равных кажущихся дальностей, соответствующих геометрическому месту точек в пространстве, сумма расстояний до которых (от j-го передатчика до i-го объекта и от i-го объекта до СОП) равна найденному значению кажущейся дальности D_i. По пересечению эллипсоида равных кажущихся дальностей и усредненного значения i-го направления (азимут

и угол места

) прихода отраженных сигналов определяются географические координаты i-го обнаруженного объекта.

На фиг.9 в качестве примера приведена схема определения координат воздушного объекта при использовании одного передатчика.

После этого в устройстве 3-3 выполняются следующие операции:

- вычисляется эффективная отражающая площадь (ЭОП) i-го объекта на каждой k-й частоте сокращенного множества по следующей формуле:

где P_1k - мощность, излучаемая j-м передатчиком на частоте f_k;

- мощность сигнала на выходе антенной решетки СОП, отраженного на частоте f_k от i-го объекта; r_1i - расстояние от j-го передатчика до i-го объекта; r_2i - расстояние от i-го объекта до СОП; λ_k=300/f_k - длина волны; G_1i и G_2i - значения диаграмм направленности по мощности j-го передатчика и СОП в направлении на i-й объект соответственно. Расстояния r_1i и r_2i рассчитываются по пространственным координатам i-го объекта и СОП, поступившим от системы 2;

- усредняются по частоте значения ЭОП i-го объекта

- идентифицируется тип i-го объекта по среднему значению ЭОП

.

Идентификация типа i-го объекта осуществляется следующим образом:

- сравнивается среднее значение ЭОП

i-го объекта с порогами σ₀ и σ₀<σ₁.

Пороги σ₀ и σ₁ выбираются исходя из экспериментальных значений ЭОП воздушных объектов трех классов: малоразмерный объект, среднеразмерный объект и крупноразмерный объект;

- принимается решение об обнаружении малоразмерного объекта, если

- принимается решение об обнаружении среднеразмерного объекта, если

- принимается решение об обнаружении крупноразмерного объекта, если

.

Результаты обнаружения, пространственной локализации и идентификации воздушных объектов поступают в устройство 3-4, где отображаются для повышения информативности.

Из приведенного описания следует, что применение в предложенном способе операций выделения энергетически эффективных сигналов (перепад отношений сигнал/шум принятых на разных частотах отраженных сигналов может достигать более 10 дБ) и соответствующего им сокращенного множества частот поиска, а также операций усреднения на сокращенном множестве частот значений задержки, относительного доплеровского сдвига и азимутально-угломестного направления прихода энергетически эффективных сигналов повышает качество обнаружения воздушных объектов и точность измерения пространственных координат и оценки эффективной отражающей площади объекта. Другими словами, предложенный способ обеспечивает повышение эффективности поиска, пространственной локализации и идентификации без увеличения размеров приемных антенн и мощности передатчиков.

Таким образом, за счет дополнительной информации, извлекаемой путем идентификации и выделения из множества принятых сигналов подмножества энергетически эффективных отраженных от обнаруживаемых воздушных объектов сигналов достигается повышение информативности, точности и вычислительной эффективности поиска, пространственной локализации и идентификации типа широкого класса воздушных объектов одной станцией обнаружения-пеленгования.

Источники информации

1. RU, патент, 2158002, кл. G01S 13/14, 2000 г.

2. US, патент, 7012552 В2, кл. G08B 21/00, 2006 г.

3. Ратынский М.В. Адаптация и сверхразрешение в антенных решетках. М.: Радио и связь. 2004.

4. RU, патент, 2319976, кл. G01S 5/04, 2008 г.

5. RU, патент, 2190236, кл. G01S 5/04, 2002 г.

6. US, патент, 5719584 В2, кл. G01S 003/02, 1998 г.

Claims

1. Способ обнаружения воздушных объектов, заключающийся в том, что выбирают передатчики, излучающие радиосигналы с расширенным спектром, синхронно принимают решеткой антенн на множестве частот поиска многолучевые радиосигналы, включающие прямые сигналы передатчиков и отраженные от объектов сигналы этих передатчиков, синхронно преобразуют ансамбль принятых антеннами сигналов в цифровые сигналы, на каждой частоте поиска из цифровых сигналов формируют цифровые прямые и сжатые отраженные сигналы, отличающийся тем, что на множестве частот поиска идентифицируют направления прихода сжатых отраженных сигналов, из сжатых отраженных сигналов каждого направления выделяют и запоминают энергетически эффективные сжатые отраженные сигналы и соответствующее им сокращенное множество частот поиска, которые используют для избирательного поиска, пространственной локализации и идентификации типа широкого класса воздушных объектов путем усреднения на сокращенном множестве частот значений задержки, относительного доплеровского сдвига, азимутов и углов места сжатых сигналов каждого i-го направления, обнаружения и формирования пространственных координат i-го воздушного объекта по усредненным значениям задержки, относительного доплеровского сдвига, азимута и угла места сжатых сигналов i-го направления, вычисления эффективной отражающей площади (ЭОП) i-го объекта на каждой частоте сокращенного множества по значениям его дальности, мощности отраженного сигнала i-го направления и мощности излучения радиопередатчика, идентификации типа i-го объекта сравнением среднего значения ЭОП

i-го объекта с порогами σ₀ и σ₁, σ₀<σ₁, выбираемыми исходя из экспериментальных значений ЭОП воздушных объектов трех классов - малоразмерный объект, среднеразмерный объект и крупноразмерный объект, причем решение об обнаружении малоразмерного объекта принимается, если

, решение об обнаружении среднеразмерного объекта принимается, если

а решение об обнаружении крупноразмерного объекта принимается, если

.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что идентификацию направлений прихода сжатых отраженных сигналов на множестве частот поиска осуществляют путем формирования по множеству частот поиска трехмерной выборочной функции распределения (ВФР) сжатых отраженных сигналов по азимуту, углу места и временной задержке, определения количества максимумов ВФР, идентификации каждого максимума ВФР как отдельное направление прихода сжатых отраженных сигналов с соответствующими этим максимумам значениями азимута, угла места и задержки.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что выделение энергетически эффективных сжатых отраженных сигналов каждого направления и соответствующего им сокращенного множества частот поиска осуществляют путем формирования амплитудно-частотного распределения (АЧР) сжатых отраженных сигналов направления, сравнения АЧР с порогом и выделения энергетически эффективных сжатых отраженных сигналов направления и соответствующего сокращенного множества частот поиска.