[1]Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в многоканальных моноимпульсных обнаружителях-пеленгаторах (ОП) систем радиомониторинга для решения задач радиоконтроля источников радиоизлучений (ИРИ).
[2]В реальных условиях имеет место многолучевое распространение сигнала. Для повышения показателей эффективности радиомониторинга задача контроля нескольких источников частотно-неразделимых сигналов при наличии преднамеренных помех является весьма актуальной. В общем случае будем считать, что если спектральные компоненты радиоволн попадают в один и тот же элемент разрешения ОП по частоте (например, элементарный частотный канал преобразования Фурье), то такие источники радиосигналов частотно-неразделимые для данного ОП.
[3]Известны способы радиоконтроля пеленгования источников радиоизлучения, основанные на азимутальном пеленговании ИРИ и представленные в [1], в которых рассматривается задача идентификации в одноэтапном варианте непосредственно по сигналам антенн 
, принимаемым на фоне независимых шумов одинаковой дисперсией σ2 в каналах приема интенсивности. Правило идентификации ИРИ в шумах известной и неизвестной интенсивности предполагает сравнение решающих статистик с пороговым уровнем h:
[4]
, (1)
[5]
, (2)
[6]где 
– максимальные значения углового спектра принятых сигналов,
[7]Z(θ0) – значения углового спектра принятых радиосигналов с заданного направления,
[8]θ – направление азимута на ИРИ,
[9]E – суммарная энергия принятых радиосигналов,
[10]h – порог, выбираемый исходя из критерия Неймана-Пирсона и обеспечивающий требуемую вероятность правильной идентификации.
[11]Однако указанные способы контроля излучения источника в заданном направлении предполагают выполнение процедуры пеленгования, что сопряжено с использованием значительных объемов памяти, приводящим к снижению быстродействия систем радиоконтроля.
[12]Наиболее близким к предлагаемому способу является [2], используемый далее в качестве прототипа и предполагающий оценивание значения глобального максимума углового спектра, измерение значения углового спектра принятых радиосигналов с заданного направления и сравнение с порогом, по результатам чего судят о приходе радиоизлучения с заданного направления.
[13]Данный способ предполагает выполнение следующих процедур:
[14]1. Прием радиоизлучения с помощью N антенн и N-канального приемного устройства.
[15]2. Синхронное преобразование радиосигналов всех каналов приема с получением их квадратурных составляющих, перемножение отсчетов радиосигналов на их сопряженные значения, накопление результатов перемножения за время наблюдения по совокупности антенн. Мгновенное значение радиосигнала n-й антенны, n = 0…N-1 в момент времени τ = 0,1,2,… представляет собой смесь принятого радиосигнала источника радиоизлучения и шума:
[16]
(3)
[17]где 
– комплексная огибающая радиосигнала в фазовом центре антенной решетки,
[18]θn, βn – азимут и угол места направления на источник излучения соответственно,
[19]
– вектор аддитивного шума.
[20]1. Вычисление значений энергий и взаимной энергий радиосигналов, принятых антеннами по формулам
[21]
(4)
[22]
(5)
[23]2. Измерение значений углового спектра принятых радиосигналов с заданного направления путем взвешенного суммирования энергии и взаимной энергии с весами, определяемыми характеристиками направленности антенн по формуле
[24]
, (6)
[25]где 
– комплексный коэффициент направленности n-й антенны,
[26]En – энергия радиосигнала, принятого n-й антенной,
[27]
– взаимная энергия радиосигналов, принятых антеннами с номерами n и n',
[28]1. Вычисление максимального значения углового спектра Z(θmax,βmax) по возможным направлениям прихода радиоволны по формуле
[29]
. (7)
[30]2. Вычисление значения углового спектра Z(θ0,β0) с заданного направления прихода радиоволны по формуле
[31]
(8)
[32]2. Формирование решающей статистики Λ как отношения разности суммарной энергии сигналов (E) и максимального значения углового спектра Z(θmax,βmax) к разности суммарной энергии и значения углового спектра принятых радиосигналов с заданного направления Z(θ0,β0):
[33]
, (9)
[34]где E – суммарная энергия принятых радиосигналов,
[35]Z(θmax,βmax) – максимальное значение углового спектра принятых сигналов,
[36]Z(θ0,β0) – значения углового спектра принятых радиосигналов с заданного направления.
[37]1. Сравнение решающей статистики Λ с порогом h.
[38]2. Принятие решения о наличии радиоизлучения с заданного направления в случае выполнения неравенства
[40]Если порог h превышен, принимают решение о наличии радиоизлучения с заданного (эталонного) направления, в противном случае – о приходе радиоизлучения с направления, отличного от эталонного.
[41]Основными недостатками аналога и прототипа является:
[42]1. Предполагается решение задачи контроля одного источника излучения в заданном направлении. В реальных условиях функционирования обнаружителя-пеленгатора, в сложной электромагнитной обстановке при наличии нескольких источников частотно-неразделимых сигналов актуальной является задача одновременного контроля излучения нескольких источников.
[43]2. Решающая статистика (9) прототипа справедлива, когда антенны обнаружителя-пеленгатора являются идентичными и ненаправленными, а их диаграммы направленности имеют единичную амплитуду, не зависящую от направления прихода радиоволны ИРИ, и описываются функциями вида
[44]
, (11)
[45]где R – радиус антенной системы,
[46]λn – длина волны излучения,
[47]ϕl(θ,β) – фазирующая функция, зависящая от параметров конфигурации антенной системы,
[48] θ – азимут направления на источник,
[50]В общем случае при наличии взаимных влияний в антенной системе обнаружителя-пеленгатора, а также в случае использования амплитудно-направленных антенных элементов другого типа использование решающей статистики (9) становится несправедливым и приводит к ухудшению показателей эффективности способа-прототипа.
[51]1. Выражение (9) для решающей статистики обнаружения не учитывает наличие межканальной корреляции спектральных отсчетов временных реализаций, обусловленных наличием в реальных условиях внешних помех.
[52]2. Для технической реализации способа-прототипа необходимо обеспечить согласованный прием сигнала контролируемых ИРИ с шириной их спектра, однако большинство современных обнаружителей-пеленгаторов являются широкополосными, с полосой мгновенного анализа, на несколько порядков превышающей ширину сигнала, что требует выполнение дополнительной процедуры обнаружения сигнала в спектральной области. Использование дополнительного узкополосного приемника для решения задачи контроля приводит к существенному усложнению аппаратуры.
[53]3. Способ не обеспечивает контроль источников частотно-неразделимых сигналов.
[54]Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является повышение эффективности контроля излучения нескольких источников частотно-неразделимых сигналов с помощью многоканальных моноимпульсных обнаружителей-пеленгаторов с произвольной структурой и характеристиками направленности антенной системы.
[55]Достигаемый технический результат – повышение эффективности идентификации нескольких источников частотно-неразделимых сигналов за счет стабилизации уровня правильной идентификации и снижения уровня ложной идентификации источников радиоизлучения, расположенных вблизи заданных направлений в реальных условиях, при неизвестной интенсивности шума и различии амплитуд принятых сигналов с выходов антенн с произвольными характеристиками направленности антенных элементов.
[56]В результате решения поставленной задачи предлагаемый способ контроля излучения нескольких источников частотно-неразделимых сигналов включает выполнение следующих процедур:
[57]1. Прием радиоизлучения с помощью N антенн и N-канального приемного устройства.
[58]2. Синхронное преобразование радиосигналов всех каналов приема с получением их квадратурных составляющих, перемножение отсчетов радиосигналов на их сопряженные значения, накопление результатов перемножения за время наблюдения по совокупности антенн. Мгновенное значение радиосигнала n-й антенны, 
, в момент времени τ=0,1,2,… представляет собой смесь принятого радиосигнала источника радиоизлучения и шума:
[59]
(12)
[60]где 
– комплексные амплитуды радиосигналов,
[61]
– матрица, составленная из азимутов и углов места направления на источники частотно-неразделимых сигналов,
[62](θ β)T – оператор транспонирования,
[63]
– комплексный коэффициент направленности n-й антенны,
[64]
– вектор аддитивного гауссовского шума с матрицей коэффициентов корреляции 
(в случае некоррелированного шума матрица становится диагональной единичной матрицей).
[65]1. Формирование матрицы взаимных энергий, накопленных по спектральным компонентам радиосигнала в каждом измерении комплексных амплитуд сигналов и последующее суммирование матриц по формуле
[66]
, (13)
[67]где 
– оператор эрмитово сопряжения.
[68]2. Для каждого контролируемого частотного участка выделяемой полосы мгновенного анализа выполняется измерение значений многосигнального углового спектра с учетом межканальной корреляции спектральных отсчетов временных реализаций по формуле:
[69]
, (14)
[71]
,
[72]
,
[73]
,
[74]
– матрица Фишера (оценок комплексных амплитуд напряженностей электрического поля принимаемых радиоволн),
[75]
– оператор следа матрицы.
[76]1. Вычисление максимального значения многосигнального углового спектра 
по возможным направлениям прихода радиоволны по формуле
[77]
. (15)
[78]2. Вычисление значения многосигнального углового спектра 
с заданных направлений прихода радиоволны по формуле
[79]
. (16)
[80]3. Формирование решающей статистики как отношения разности следа от произведения матрицы взаимных энергий на обратную матрицу коэффициентов корреляции шума, 
, и максимального значения многосигнального углового спектра к разности следа от 
и значения многосигнального углового спектра принятых радиосигналов с заданного направления
[81]
, (17)
[82]где 
– максимальное значения многосигнального углового спектра принятых сигналов,
[83]
– значения многосигнального углового спектра принятых радиосигналов с заданного направления.
[84]1. Сравнение решающей статистики Λ с порогом h.
[85]2. Принятие решения о наличии радиоизлучения с заданного направления в случае выполнения неравенства Λ > h.
[86]Если порог h превышен, принимают решение о наличии радиоизлучения с заданного (эталонного) направления, в противном случае – о приходе радиоизлучения с направления, отличного от эталонного.
[87]Предлагаемый способ контроля излучения нескольких источников частотно-неразделимых сигналов лишен перечисленных выше недостатков прототипа, а именно:
[88]1. Предлагаемый способ позволяет решить задачу идентификации нескольких источников радиоизлучения.
[89]2. Решающая статистика (17) предлагаемого способа справедлива в случае антенной системы с произвольной структурой и характеристиками направленности антенных элементов, в частности, в используемом в прототипе предположении, что антенны обнаружителя-пеленгатора являются идентичными и ненаправленными. Это позволяет использовать предлагаемый способ в реальных условиях функционирования обнаружителей-пеленгаторов, когда имеют место взаимные влияния антенн друг на друга.
[90]3. Выражение (17) для решающей статистики контроля излучения нескольких источников частотно-неразделимых сигналов предлагаемого способа учитывает наличие межканальной корреляции спектральных отсчетов временных реализаций, обусловленных наличием в реальных условиях внешних помех, что позволяет при разработке обнаружителей-пеленгаторов проводить анализ достижимых показателей эффективности обнаружения сигналов ИРИ в условиях насыщенной электромагнитной обстановки, а также учитывать наличие корреляции помех в реальных условиях функционирования обнаружителей-пеленгаторов.
[91]1. Прием сигнала осуществляется в широкой полосе частот мгновенного анализа, что дает возможность одновременного контроля нескольких ИРИ в заданном направлении.
[93]Предложенный способ обеспечивает возможность одновременного контроля нескольких источников частотно-неразделимых сигналов с обеспечением стабилизации уровня правильной идентификации и снижение уровня ложной идентификации источников радиоизлучения, расположенного вблизи заданных направлений, а так же при неизвестной интенсивности шума.
[94]Схема для реализации предлагаемого способа представлена на фиг. 1.
[95]Устройство, реализующее предложенный способ, содержит:
[96]1.1-1.N – многоканальная антенная система,
[97]2 – радиоприемное устройство,
[98]3 – измеритель энергии,
[99]4 – блок определения модуля,
[101]6 – запоминающее устройство (ЗУ),
[102]7 – анализатор многосигнального углового спектра,
[103]8 – устройство определения максимума,
[104]9.1, 9.2 – запоминающие ячейки,
[105]10 – накапливающий сумматор,
[106]11 – решающее устройство,
[107]12 – аналого-цифровой преобразователь (АЦП),
[108]13 – оперативное запоминающее устройство,
[109]14.1, 14.2 – умножители,
[110]15.1, 15.2 – накапливающие сумматоры.
[111]Устройство работает следующим образом.
[112]Антенны 1.1…1.N подключены к входам радиоприемного устройства 2 и через его выход к входам измерителя энергии 3, первый выход которого через блок определения модуля 4 соединен с первым входом коммутатора 5 и непосредственно со вторым его входом. Выход коммутатора 5 подключен к первому входу анализатора многосигнального углового спектра 7, ко второму входу которого подключен второй выход измерителя энергии 3, а к третьему входу – выход запоминающего устройства 6. Выход анализатора многосигнального углового спектра 7 соединен с входом устройства определения максимума 8 и входом запоминающей ячейки 9.1. Устройство определения максимума 8 своим выходом подключено к входу запоминающей ячейки 9.2. Второй выход измерителя энергии 3 соединен с входом накапливающего сумматора 10. Выходы запоминающей ячейки 9.1, запоминающей ячейки 9.2 и накапливающего сумматора 10 подключены соответственно к первому, второму и третьему входам решающего устройства 11. Аналого-цифровой преобразователь 12 в составе измерителя энергии 3 со стороны выходов соединен с соответствующими входами оперативного запоминающего устройства 13, первый выход которого подключен к первому входу умножителя 14.1, а второй – ко второму входу умножителя 14.1, первому и второму входу умножителя 14.2, выход умножителя 14.1 соединен с входом накапливающего сумматора 15.1, а выход умножителя 14.2 – с входом накапливающего сумматора 15.2. Выходы накапливающих сумматоров 15.1, 15.2 являются первым и вторым выходами измерителя энергии 3, а выходы решающего устройства 11 – выходом устройства в целом. Еще по одному выходу накапливающих сумматоров 15.1 и 15.2 могут использоваться дополнительно.
[113]Число антенн 1.1, 1.2 … 1.N составляет N ≥ 3. Радиоприемное устройство 2 многоканальное, число каналов равно числу антенн N. Измеритель энергии 3 обеспечивает измерение энергии радиосигналов, принятых каждой антенной, и взаимной энергии радиосигналов пар различных антенн. Аналого-цифровой преобразователь 12 в составе измерителя энергии 3 рассчитан на синхронное преобразование радиосигналов всех каналов приема с получением их квадратурных составляющих с записью результатов в оперативное запоминающее устройство 13. Анализатор углового спектра 7 обеспечивает измерение значений углового спектра по формуле (14).
[114]Устройством определения максимума 8 вычисляется максимальное по возможным направлениям прихода радиоволн значение 
по формуле (15) и фиксируется в запоминающей ячейке 9.2. Измеренное значение многосигнального углового спектра в заданном направлении 
заносится в запоминающую ячейку 9.1 в момент поступления его с выхода анализатора многосигнального углового спектра 7. По результатам выполненных измерений в решающем устройстве 11 определяют разность следа (суммы диагональных элементов) квадрата нормированной матрицы взаимных энергий и максимального значения многосигнального углового спектра, разность квадрата следа данной матрицы и значения многосигнального углового спектра принятых радиосигналов с заданных направлений, а также отношение этих разностей с образованием решающей статистики по формуле (17). На завершающей стадии отношение разностей сравнивают с порогом, формула (18). Если порог h превышен, принимают решение о приходе радиоизлучения с заданных направлений, а в противном случае о приходе радиоизлучения с направлений, отличных от эталонных.
[116]На фиг. 2-4 представлены результаты статистического моделирования для семиэлементной эквидистантной кольцевой антенной решетки при отношении радиуса ЭКАР к длине волны, равном единице, и отношении сигнал/шум 10 дБ в пакете моделирования Matlab. Рассмотрен случай контроля излучения двух некогерентных источников частотно-неразделимых сигналов. При статистическом моделировании характеристик контроля излучения двух источников частотно-неразделимых сигналов число статистических испытаний выбиралось равным 108, количество накоплений матрицы взаимных энергий полагалось равным 3. Азимутальные направления принимались равными 0 градусов на первый источник, 15 градусов на второй источник, угол места 0 градусов. Матрица, характеризующая направления на источники излучения, имеет вид
[117]
.
[118]В случае наличия двух направлений (J = 2), матрица Фишера (оценок амплитуд напряженностей комплексных амплитуд электрического поля принимаемых частотно-неразделимых сигналов) примет вид
[119]
, (19)
[120]а обратная ей матрица корреляции данных оценок
[121]
(20)
[122]Двухсигнальный пеленгационный рельеф (14) записывается как
[123]
, (21)
[124]где введена функция пространственной корреляции двух плоских волн
[125]
. (22)
[126]В том случае, когда внутренние шумы приемных каналов независимы и одинаковы по интенсивности, матрица корреляции 
становится диагональной, многосигнальный угловой спектр имеет вид
[127]
. (23)
[128]В каждом статистическом эксперименте по одинаковым исходным данным вычислялись величины, соответствующие решающей статистике предложенного способа, формула (17):
[129]
.
[130]В качестве примера, при проведении моделирования формировался коррелированный вектор гауссовского шума с матрицей корреляции, элементы которой имеют вид
[131]
.
[132]Матрица 
имеет вид:
[133]
(24)
[135]На фиг. 3 приведены зависимости вероятности P идентификации двух источников частотно-неразделимых сигналов к эталонам от угловых расстояний до него, при этом 
, с шагом 
Матрица корреляции Q – единичная.
[137]Порог принятия решения об отождествлении двух источников частотно-неразделимых сигналов с контролируемыми, для обеспечения вероятности правильной идентификации 0,98 равен 0,9.
[138]Из представленных зависимостей (фиг. 2, 3) видно, что вероятность идентификации двух источников частотно-неразделимых сигналов мене 0,1 достигается при угловых расстояниях более 16 градусов. При рассмотрении зависимости (фиг. 4) вероятности идентификации двух источников частотно-неразделимых сигналов при влиянии матрицы коэффициентов межканальной корреляции аддитивного шум (24), вероятность правильной идентификации менее 0,1 достигается при угловых расстояниях более 30 градусов.
[139]Предлагаемый способ контроля излучения нескольких источников частотно-неразделимых сигналов обеспечивает повышение эффективности идентификации нескольких источников частотно-неразделимых сигналов за счет стабилизации уровня правильной идентификации и снижения уровня ложной идентификации источников радиоизлучения, расположенных вблизи заданных направлений, в реальных условиях неизвестной интенсивности шума и различии амплитуд принятых сигналов с выходов антенн с произвольными характеристиками направленности антенных элементов. Способ справедлив для АС с произвольной структурой и характеристиками направленности антенных элементов, в результате чего обеспечивается инвариантность решающей статистики к изменению соотношений уровней сигналов в каналах, в том числе обусловленных взаимными влияниями в антенной системе.
[140]ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
[141]1. Уфаев В.А. Способы определения местоположения и пространственной идентификации источников радиоизлучений, М.: Воронеж, 2017. с.235-239.
[142]2. Патент РФ №2294546 «Способ идентификации радиоизлучения» / Уфаев В.А., 2005.
