Способ пассивного обнаружения подвижных объектов
Владельцы патента RU 2471199:
Открытое акционерное общество "Конструкторское бюро по радиоконтролю систем управления, навигации и связи" (ОАО "КБ "Связь") (RU)
Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах контроля наземного и воздушного пространства с использованием прямых и рассеянных объектами радиосигналов, излучаемых множеством неконтролируемых и контролируемых передатчиков радиоэлектронных систем различного назначения. Достигаемым техническим результатом изобретения является повышение дальности обнаружения и точности пространственной локализации подвижных объектов. Повышение дальности обнаружения и точности пространственной локализации подвижных объектов достигается за счет применения операций двухмерной корреляционной фильтрации принятых сигналов, обеспечивающих режекцию мощного прямого радиосигнала передатчика подсвета, являющегося когерентной помехой, маскирующей слабые рассеянные подвижными объектами радиосигналы. 1 ил.
Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах контроля наземного и воздушного пространства с использованием прямых и рассеянных объектами радиосигналов, излучаемых множеством неконтролируемых и контролируемых передатчиков радиоэлектронных систем различного назначения.
Достижение высокой эффективности обнаружения, локализации и идентификации наземных и 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 подвижными объектами.
Технология пассивного обнаружения и слежения за подвижными объектами, использующая естественный радиоподсвет целей, создаваемый 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.
Принятый радиосигнал, как правило, включает мощные прямые радиосигналы и рассеянные от земной инфраструктуры компоненты сигнала выбранного передатчика радиоподсвета целей. Кроме того, он содержит задержанные по времени и сдвинутые на частоту доплеровского смещения рассеянные объектами сигналы, а также сигналы других неконтролируемых источников, работающих на частоте, совпадающей с частотой приема. Для эффективного обнаружения и точной пространственной локализации широкого класса объектов (автомобили, корабли, самолеты и беспилотные летательные аппараты, вертолеты, ракеты, спускаемые аппараты) необходимо качественное выделение слабых рассеянных от объектов радиосигналов на фоне мощного прямого сигнала выбранного передатчика радиоподсвета, а также на фоне сигналов других нежелательных источников. В наиболее типичных ситуациях уровень помех на 40-60 дБ превышает уровень рассеянных сигналов.
Известен способ пассивного обнаружения подвижных объектов [1], заключающийся в том, что когерентно принимают двумя пространственно разнесенными приемными каналами многолучевые радиосигналы, включающие прямые радиосигналы передатчиков и рассеянные от объектов радиосигналы этих передатчиков, формируют сигнал, описывающий взаимную корреляционную функцию (ВКФ), зависящую от временного сдвига радиосигналов, принятых парой приемных каналов, выделяют центральную часть ВКФ, преобразуют выделенную центральную часть ВКФ в комплексную взаимную спектральную плотность (ВСП) принятого радиосигнала, из комплексной ВСП формируют рассеянные объектами радиосигналы, по которым выполняют обнаружение и пространственную локализацию подвижных объектов.
Данный способ эффективно решает задачу обнаружения и пространственной локализации при условии нахождения центральной части ВКФ в области нулевых задержек, то есть при малом временном сдвиге между принятыми сигналами, что соответствует узкому сектору углов прихода сигналов вблизи нормали к линии положения антенн двух приемных каналов.
Более эффективным является способ пассивного обнаружения подвижных объектов [2], свободный от этого недостатка и выбранный в качестве прототипа. Согласно этому способу:
когерентно принимают двумя пространственно разнесенными приемными каналами многолучевые радиосигналы, включающие излучаемый передатчиком подсвета прямой радиосигнал с расширенным спектром и рассеянные объектами радиосигналы этого передатчика;
синхронно преобразуют принятые радиосигналы в комплексные цифровые сигналы, которые синхронно регистрируют на заданном временном интервале;
из комплексных цифровых сигналов формируют комплексную двухмерную взаимно корреляционную функцию, зависящую как от временного, так и от частотного сдвига цифровых сигналов;
сдвигают по времени комплексную двухмерную взаимно корреляционную функцию на величину, соответствующую каждому ожидаемому направлению прихода радиосигналов, выделяют центральную двухмерную часть каждой сдвинутой комплексной двухмерной взаимно корреляционной функции;
преобразуют каждую выделенную центральную часть комплексной двухмерной взаимно корреляционной функции в комплексную функцию взаимной спектральной плотности (ФВСП);
из комплексных ФВСП формируют рассеянные объектами радиосигналы, по которым выполняют обнаружение и пространственную локализацию подвижных объектов.
Способ-прототип обеспечивает обнаружение и пространственную локализацию подвижных объектов в широком секторе углов. Однако способ-прототип имеет существенный недостаток - ограниченную дальность обнаружения подвижных объектов, что обусловлено отсутствием операций компенсации когерентной помехи, возникающей за счет просачивания мощного прямого радиосигнала передатчика подсвета, как правило, на 40-60 дБ превышающего уровень обнаруживаемых рассеянных объектами радиосигналов.
Техническим результатом изобретения является повышение дальности обнаружения и точности пространственной локализации подвижных объектов.
Повышение дальности обнаружения и точности пространственной локализации подвижных объектов достигается за счет применения операций двухмерной корреляционной фильтрации принятых сигналов, обеспечивающих режекцию мощного прямого радиосигнала передатчика подсвета, являющегося когерентной помехой, маскирующей слабые рассеянные подвижными объектами радиосигналы.
Технический результат достигается тем, что в способе пассивного обнаружения подвижных объектов, заключающемся в том, что когерентно принимают двумя пространственно разнесенными приемными каналами многолучевые радиосигналы, включающие излучаемый передатчиком подсвета прямой радиосигнал с расширенным спектром и рассеянные объектами радиосигналы этого передатчика, синхронно преобразуют принятые радиосигналы в комплексные цифровые сигналы, которые синхронно регистрируют на заданном временном интервале, из комплексных цифровых сигналов формируют комплексную двухмерную взаимно корреляционную функцию (ДВКФ), зависящую как от временного, так и от частотного сдвига цифровых сигналов, сдвигают по времени комплексную ДВКФ на величину, соответствующую каждому ожидаемому направлению m=1, …, M прихода радиосигналов, выделяют центральную двухмерную часть каждой сдвинутой комплексной ДВКФ, согласно изобретению преобразуют каждую выделенную центральную часть комплексной ДВКФ в комплексный цифровой сигнал m-го направления, который запоминают, идентифицируют сформированный для совпадающего с направлением на передатчик подсвета комплексный цифровой сигнал как прямой комплексный цифровой сигнал, для каждого m-го направления формируют комплексную ДВКФ между прямым комплексным цифровым сигналом передатчика и комплексным цифровым сигналом m-го направления, исключают центральную часть комплексной ДВКФ и получают сигнал модифицированной комплексной ДВКФ, из сигнала модифицированной комплексной ДВКФ и прямого комплексного цифрового сигнала формируют модифицированный рассеянный комплексный цифровой сигнал, формируют результирующую комплексную ДВКФ между модифицированным рассеянным комплексным цифровым сигналом и прямым комплексным цифровым сигналом, определяют по максимумам модуля результирующей комплексной ДВКФ число сжатых рассеянных сигналов m-го направления и фиксируют значения задержки по времени, абсолютного доплеровского сдвига и направления прихода каждого сжатого сигнала, по которым выполняют обнаружение и определение пространственных координат подвижных объектов.
Операции способа поясняются чертежом.
Способ пассивного обнаружения подвижных объектов осуществляется следующим образом:
1. Когерентно принимают двумя пространственно разнесенными приемными каналами многолучевые радиосигналы, включающие излучаемый передатчиком подсвета прямой радиосигнал с расширенным спектром и рассеянные от объектов радиосигналы этого передатчика. В результате формируются сигналы xn(t), зависящие от времени t и номера приемного канала n=1, 2.
2. Синхронно преобразуют принятые радиосигналы x1(t) и x2(t) в комплексные цифровые сигналы и 
, где z - номер временного отсчета сигнала.
Преобразование принятых радиосигналов x1(t) и x2(t) в комплексные цифровые сигналы и 
может быть выполнено различными способами. Например, аналогово-цифровым или полностью цифровым способами, основанными на преобразовании Гильберта [3, стр.65] или квадратурной дискретизации [3, стр.169]. Значение периода дискретизации Td должно быть много меньше минимального значения задержки между моментами прихода сигналов на две антенны, то есть 
, где d - расстояние между антеннами, Δ - шаг по углу, c - скорость света. Так при d=1000 ми Δ=0,1 градуса получаем 
, что соответствует частоте дискретизации 200 МГц. Отметим, что на современной элементной базе реализуемы частоты дискретизации, превышающие значение 1 ГГц.
3. Синхронно регистрируют комплексные цифровые сигналы и на заданном временном интервале.
4. Из комплексных цифровых сигналов и формируют комплексную двухмерную взаимно корреляционную функцию (ДВКФ) 
, зависящую как от временного τ, так и от частотного F сдвига цифровых сигналов.
Формирование ДВКФ (другими словами, время-частотной функции рассогласования [4, стр.103]) выполняют во временной 
или в частотной 
областях,
где 
- оператор дискретного преобразования Фурье (ДПФ) по времени, а k=0, …, K-1 - номер частотного отсчета, ωk - частота, соответствующая k-му частотному отсчету;
- сдвигают по времени комплексную ДВКФ на величину, соответствующую каждому ожидаемому направлению m=1, …, M прихода радиосигналов.
Сдвиг выполняют следующим образом:
где 
- оператор обратного ДПФ.
Значения временных сдвигов, соответствующие каждому ожидаемому направлению прихода радиосигналов, вычисляют по следующей формуле: 
где d - расстояние между антеннами приемных каналов, c - скорость света.
Отметим, что данную операцию можно рассматривать как составляющую операции наведения 2-элементной антенной решетки в каждое из m=1, …, M угловых направлений, что необходимо для последующего разделения и локализации по пространству принятых радиосигналов: прямого радиосигнала передатчика подсвета и рассеянных объектами радиосигналов.
В результате выполнения описанных операций получают M комплексных ДВКФ 
.
5. Выделяют центральную двухмерную часть 
каждой сдвинутой комплексной ДВКФ
Параметры Δ и Θ выбирают исходя из необходимости подавления шумов и побочных пиков функции рассогласования, определяющих уровень взаимных помех, а также исходя из допустимого уровня искажения фронтов импульсов полезного сигнала.
Данную операцию можно рассматривать как операцию применения двухмерного окна, имеющего квадратную или прямоугольную опорную область, к комплексной ДВКФ . Применение двухмерного окна к комплексной ДВКФ эквивалентно двухмерной фильтрации комплексного цифрового сигнала m-го направления, формируемого на следующем этапе.
6. Преобразуют каждую выделенную центральную часть комплексной ДВКФ в комплексный цифровой сигнал m-го направления 
, который запоминают.
В результате выполнения описанных операций формируют M комплексных цифровых сигналов 
.
Описанные операции обеспечивают разделение входного потока радиосигналов, включающего излучаемый передатчиком подсвета прямой радиосигнал с расширенным спектром и рассеянные объектами радиосигналы этого передатчика.
Понятно, что одно из направлений m=1, …, M, например, m' совпадает с априорно известным направлением на выбранный передатчик подсвета. Следовательно, сформированный при наведении двухэлементной решетки в направление m' комплексный цифровой сигнал 
может быть идентифицирован как прямой комплексный цифровой сигнал передатчика подсвета. Сформированные при наведении двухэлементной решетки в другие направления, m≠m', комплексные цифровые сигналы могут быть смесью рассеянных объектами сигналов и сигнала когерентной помехи от передатчика подсвета.
7. Идентифицируют сформированный для совпадающего с направлением m' на передатчик подсвета комплексный цифровой сигнал как прямой комплексный цифровой сигнал 
.
8. Для каждого m-го направления выполняют следующие действия:
- формируют комплексную ДВКФ 
между прямым комплексным цифровым сигналом передатчика 
и комплексным цифровым сигналом m-го направления.
Физически данная операция может рассматриваться как операция двухмерного сжатия по времени и по частоте прямого комплексного цифрового сигнала передатчика , содержащегося в виде когерентной помехи в комплексном цифровом сигнале m-го направления . При этом сжатие рассеянных объектами сигналов не происходит, так как они отличаются от прямого сигнала передатчика значениями временной задержки;
- исключают центральную часть комплексной ДВКФ 
и получают сигнал модифицированной комплексной ДВКФ 
.
Последняя операция является ключевой при достижении указанного технического результата, так как осуществляет двухмерную корреляционную фильтрацию принятых сигналов в частотно-временной области. Это обеспечивает режекцию мощного прямого радиосигнала передатчика подсвета, являющегося когерентной помехой, маскирующей слабые рассеянные подвижными объектами радиосигналы, что, в свою очередь, повышает отношение сигнал/помеха слабых рассеянных объектами радиосигналов;
- из сигнала модифицированной комплексной ДВКФ и прямого комплексного цифрового сигнала передатчика формируют модифицированный рассеянный комплексный цифровой сигнал 
.
При формировании модифицированного рассеянного комплексного цифрового сигнала выполняются следующие действия:
а) суммируют значения сигнала модифицированной комплексной ДВКФ для получения сигнала 
;
б) выполняют обратное ДПФ сигнала и получают сигнал 
;
в) сигнал 
умножают на комплексно сопряженный прямой цифровой сигнал и получают модифицированный комплексный цифровой рассеянный сигнал 
, где * - обозначает комплексное сопряжение.
Возможен другой способ, при котором формирование модифицированного рассеянного комплексного цифрового сигнала 
осуществляют по формуле 
Этот способ обеспечивает более высокую устойчивость к амплитудным флуктуациям сигналов;
- формируют результирующую комплексную ДВКФ 
между модифицированным рассеянным комплексным цифровым сигналом 
и прямым комплексным цифровым сигналом передатчика 
;
- определяют по максимумам модуля 
результирующей комплексной ДВКФ число сжатых рассеянных сигналов m-го направления и фиксируют значения задержки по времени τpm, абсолютного доплеровского сдвига Fpm и направления прихода αpm каждого p-го сжатого сигнала, по которым выполняют обнаружение и определение пространственных координат подвижных объектов.
Устройство, в котором реализуется предложенный способ пассивного обнаружения подвижных объектов, включает последовательно соединенные антенную систему 1, двухканальный преобразователь частоты (ПРЧ) 2, двухканальное устройство квадратурной дискретизации 3, вычислитель 4, устройство отображения 5.
Антенная система 1 содержит две антенны, объединенные в решетку. Для устранения неоднозначности по пространству используются антенны с кардиоидной или более острой диаграммой направленности.
Двухканальный ПРЧ 2 выполнен с общим гетеродином. Общий гетеродин обеспечивает двухканальный когерентный прием радиосигналов.
Устройство, реализующее предложенный способ, работает следующим образом.
Многолучевые радиосигналы, включающие излучаемый передатчиком подсвета прямой радиосигнал с расширенным спектром и отраженные от объектов радиосигналы этого передатчика, принимаются антеннами 1 и 2 двух пространственно разнесенных приемных каналов. Принятые каждой антенной решетки 1 зависящие от времени t многолучевые радиосигналы в ПРЧ 2 когерентно переносятся на более низкую частоту.
Сформированные в ПРЧ 2 сигналы x1(t) и x2(t) синхронно преобразуются в двухканальном устройстве квадратурной дискретизации 3 в комплексные цифровые сигналы и . Комплексные цифровые сигналы и синхронно регистрируется на заданном временном интервале в вычислителе 4.
Кроме того, в вычислителе 4 выполняются следующие действия:
- из комплексных цифровых сигналов и формируется комплексная ДВКФ ;
- сдвигается по времени комплексная ДВКФ на величину, соответствующую каждому ожидаемому направлению m=1, …, M прихода радиосигналов;
- выделяется центральная двухмерная часть каждой сдвинутой комплексной ДВКФ ;
- преобразуется каждая выделенная центральная часть комплексной ДВКФ в комплексный цифровой сигнал m-го направления . Комплексный цифровой сигнал m-го направления запоминается;
- идентифицируется сформированный для совпадающего с направлением m' на передатчик подсвета комплексный цифровой сигнал как прямой комплексный цифровой сигнал .
После этого в вычислителе 4 для каждого m-го направления выполняются следующие действия:
- формируется комплексная ДВКФ между прямым комплексным цифровым сигналом передатчика и комплексным цифровым сигналом m-го направления , исключается центральная часть комплексной ДВКФ и получается модифицированная комплексная ДВКФ , преобразуется модифицированная комплексная ДВКФ в модифицированный рассеянный комплексный цифровой сигнал , формируется результирующая комплексная ДВКФ между модифицированным рассеянным комплексным цифровым сигналом и прямым комплексным цифровым сигналом передатчика , определяется по максимумам модуля 
результирующей комплексной ДВКФ число сжатых рассеянных сигналов m-го направления и фиксируются значения задержки по времени τpm, абсолютного доплеровского сдвига Fpm и направления прихода αpm каждого p-го сжатого сигнала, по значения задержки по времени τpm, абсолютного доплеровского сдвига Fpm и направления прихода αpm каждого p-го сжатого сигнала выполняется обнаружение и определение пространственных координат подвижных объектов.
При обнаружении и определении пространственных координат подвижных объектов выполняются следующие действия:
- сравниваются с порогом значения абсолютного доплеровского сдвига Fpm p-го сжатого рассеянного сигнала и при превышении порога принимается решение об обнаружении подвижного объекта в направлении αpm.
Порог выбирается исходя из минимизации вероятности пропуска объекта;
- по значению абсолютной задержки сигнала τpm определяется кажущаяся дальность до объекта Dpm=τpmc, где c - скорость света;
- определяются пространственные координаты обнаруженного объекта по кажущейся дальности Dpm и значениям направления прихода αpm рассеянных сигналов.
При этом для пары «устройство обнаружения - передатчик» строится эллипс равных кажущихся дальностей, соответствующих геометрическому месту точек на плоскости, сумма расстояний до которых (от передатчика до объекта и от объекта до устройства обнаружения) равна найденному значению кажущейся дальности Dpm. По пересечению эллипса равных кажущихся дальностей и значения направления приема αpm рассеянных сигналов определяются географические координаты обнаруженного объекта.
В устройстве 5 индицируются результаты обнаружения и локализации по частоте, времени и направлению прихода всего множества сигналов, одновременно попадающих в анализируемую частотно-временную область приема.
Таким образом, за счет применения операций двухмерной корреляционной фильтрации принятых сигналов, обеспечивающих режекцию мощного прямого радиосигнала передатчика подсвета, являющегося когерентной помехой, маскирующей слабые рассеянные подвижными объектами радиосигналы, удается решить поставленную задачу с достижением технического результата.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1 US, патент, 5955993, кл. G01S 3/02, 1999 г.
2 RU, патент, 2316018, кл. G01S 5/04, 2008 г.
3 Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов: Учебник для вузов. 2-е изд. - СПб.: Питер, 2006.
4 Ширман Я.Д., Манжос В.Н. Теория и техника обработки радиолокационной информации на фоне помех. - М.: Радио и связь, 1981.
Способ пассивного обнаружения подвижных объектов, заключающийся в том, что когерентно принимают двумя пространственно разнесенными приемными каналами многолучевые радиосигналы, включающие излучаемый передатчиком подсвета прямой радиосигнал с расширенным спектром и рассеянные объектами радиосигналы этого передатчика, синхронно преобразуют принятые радиосигналы в комплексные цифровые сигналы, которые синхронно регистрируют на заданном временном интервале, из комплексных цифровых сигналов формируют комплексную двухмерную взаимно корреляционную функцию (ДВКФ), зависящую как от временного, так и от частотного сдвига цифровых сигналов, сдвигают по времени комплексную ДВКФ на величину, соответствующую каждому ожидаемому направлению m=1, …, М прихода радиосигналов, выделяют центральную двухмерную часть каждой сдвинутой комплексной ДВКФ, отличающийся тем, что преобразуют каждую выделенную центральную часть комплексной ДВКФ в комплексный цифровой сигнал m-го направления, который запоминают, идентифицируют сформированный для совпадающего с направлением на передатчик подсвета комплексный цифровой сигнал как прямой комплексный цифровой сигнал, для каждого m-го направления формируют комплексную ДВКФ между прямым комплексным цифровым сигналом передатчика и комплексным цифровым сигналом m-го направления, исключают центральную часть комплексной ДВКФ и получают сигнал модифицированной комплексной ДВКФ, из сигнала модифицированной комплексной ДВКФ и прямого комплексного цифрового сигнала формируют модифицированный рассеянный комплексный цифровой сигнал, формируют результирующую комплексную ДВКФ между модифицированным рассеянным комплексным цифровым сигналом и прямым комплексным цифровым сигналом, определяют по максимумам модуля результирующей комплексной ДВКФ число сжатых рассеянных сигналов m-го направления и фиксируют значения задержки по времени, абсолютного доплеровского сдвига и направления прихода каждого сжатого сигнала, по которым выполняют обнаружение и определение пространственных координат подвижных объектов.
