CC BY-NC
38
DOI: 10.2493 7/2542-2324-2019-2-S-I-117-126 УДК 534.23
E.C. Шилина, M.M. Шилин, Н.Н. Семенов
Санкт-Петербургский государственный морской технический университет, Санкт-Петербург, Россия
МОДИФИКАЦИЯ АЛГОРИТМА ПРОСТРАНСТВЕННО-
ВРЕМЕННОГО БЛОЧНОГО КОДИРОВАНИЯ
ДЛЯ СОЗДАНИЯ ШУМОВОЙ ЛОКАЛЬНОЙ ПОМЕХИ
Предложен способ формирования помехи с помощью технологии MIMO и ортогонального пространственно-временного блочного кодирования, предложенного С. Аламоути. Данный способ отличается от известных способов формирования помех локальными источниками тем, что такую помеху существенно сложнее подавить пространственными фильтрами, формирующими «нули» характеристики направленности в направлении источника помехи. Но при этом он требует одновременного излучения модулированной полосовой помехи несколькими источниками, разнесенными по пространству. Достоинством способа является возможность получения аналогичной помехи, созданной группой разнесенных в пространстве источников, но при существенно меньших габаритах, благодаря чему можно располагать излучатели на корпусе одного носителя. Для повышения эффективности излучения помехи и более равномерного использования спектра предложена модификация алгоритма Аламоути, включающая в себя передачу случайного битового потока и четырехпозиционную фазовую модуляцию, что позволяет применить его для создания шумовой локальной помехи работе гидролокатора подводного аппарата. Приведены результаты моделирования работы такой помехи как при одиночном, так и при групповом применении, а также оценена эффективность ее подавления адаптивным компенсатором помех гидролокатора.
Ключевые слова: локальная помеха, адаптивный компенсатор помех, пространственно-временное блочное кодирование, алгоритм Аламоути.
Авторы заявляют об отсутствии возможных конфликтов интересов.
DOI: 10.2493 7/2542-2324-2019-2-S-I-117-126 UDC 534.23
Ye. Shilina, М. Shilin, N. Semenov
St. Petersburg State Marine Technical University, St. Petersburg, Russia
MODIFICATION OF TIME-SPACE BLOCK CODING ALGORITHM FOR GENERATION OF LOCAL NOISE INTERFERENCE
This paper discusses a method of interference generation by means of MIMO technology and orthogonal space-time block coding suggested by S. Alamouti. Unlike the interferences obtained through conventional methods, i.e. by means of local sources, the interference generated as per this method is much harder to suppress by means of spatial filters that form "zero" signature diagrams in the direction of interference source. Still, this method requires simultaneous emission of modulated band interference from several sources in different places. The advantage this method is the possibility to obtain an equivalent interference generated by a group of sources distributed in space, but these sources much smaller in size and can be installed on one carrier. To enhance the efficiency of interference emission and to use the spectrum more uniformly, it would be practicable to modify Alamouti algorithm so as to enable random bit stream transmission and four-position phase modulation: once it is implemented, Alamouti algorithm will be capable of delivering a local noise interference for submarine sonar. This paper presents simulation results for this interference for both single point and a group of points, and also estimates the efficiency of its suppression by adaptive compensator of sonar interference.
Для цитирования: Шилина E.C., Шилин М.М., Семенов Н.Н. Модификация алгоритма пространственно-временного блочного кодирования для создания шумовой локальной помехи. Труды Крыловского государственного научного центра. 2019; Специальный выпуск 2: 117-126.
For citations'. Shilina Ye. S., Shilin M.M., Semenov N.N. Modification of time-space block coding algorithm for generation of local noise interference. Transactions of the Krylov State Research Center. 2019; Special Edition 2: 117-126 {in Russian).
Keywords: local interference, adaptive compensator, time-Áuthors declare lack of the possible conflicts of interests.
Введение
Introduction
Прием гидроакустических сигналов осуществляется на фоне помех, значительный вклад в которые в последнее время вносят искусственно создаваемые помехи. Поэтому в современных подводных аппаратах (ПА) применяются устройства и алгоритмы, позволяющие адаптивно уменьшать помехи при сохранении полезного сигнала, т.е. максимизирующие отношение «сигнал/помеха» на выходе такого устройства (оптимальные пространственные фильтры). Но так как по меховая ситуация нестационарна, пространственный фильтр должен адаптивно подстраиваться под поле помех, и поэтому такие пространственные фильтры называются адаптивными компенсаторами помех (АКП). В настоящей работе рассматриваются методы оптимальной и квазиоптимальной пространственной фильтрации поля помех, сформированного по модифицированному алгоритму Аламоути.
Один из наиболее эффективных способов подавления локальной по пространству помехи - это формирование характеристики направленности (ХН) антенны гидролокатора, максимум которой приходится в направлении полезного сигнала, а в направлении помех - «нули». Точечные источники шумовых локальных помех (ЛП), находящиеся за пределами главного максимума ХН подавляются не менее чем на 40 дБ [1]. Подавление большого числа помех в главном максимуме, особенно в непосредственной близости от полезного сигнала, затруднено [2] в связи с невозможностью формирования частых «нулей» ХН, что ограничено волновым размером антенны. Цель данной работы - исследование ситуаций, при которых подавление ЛП оказывается неэффективным или невозможным.
Способы раскорреляции заградительной локальной помехи на элементах антенны гидролокатора
Decorrelation methods for local barrage interference on sonar array elements
Корреляция сигналов ЛП на элементах антенны гидролокатора ПА оказывается высокой (больше 0,7) для источников ЛП, расположенных в доста-
■space block coding, Alamouti algorithm.
точно широком диапазоне углов пеленга. Ширина такого диапазона зависит от волновых размеров антенны гидролокатора и у реальных гидролокаторов малогабаритных ПА с антенной 4-8 длин волн может составлять десятки градусов. Высокая корреляция сигналов на элементах антенны приводит к тому, что их легко подавлять когерентными компенсаторами помех, поскольку становится возможно построить такой фильтр, который будет вычитать из суммы сигнала и помехи только помеху.
Однако помимо корреляции сигналов на элементах антенной решетки в звукоподводной связи и гидролокации существует проблема многолучевого распространения сигналов. Особенно критична эта проблема при распространении гидроакустических сигналов в условиях мелкого моря, кардинально отличающихся от условий распространения в глубоком море. Помимо объемной реверберации здесь значительную роль будет играть еще и граничная реверберация, а также многократные отражения сигнала. В результате на приемную антенну практически всегда приходит множество копий сигнала с разными уровнями и разными задержками по времени. Многолучевой характер распространения сигнала приводит к интерференции и, как следствие, к изменению уровня принимаемого сигнала. Причем количество этих изменений за счет движения гидролокатора и объекта локации составляет десятки-сотни раз за секунду. Корреляция таких многолучевых сигналов на элементах антенны может быть существенно меньше, чем при прямом распространении -происходит раскорреляция помехи.
Интерференция прямых и отраженных волн приводит к изменениям амплитуды принимаемых сигналов - сложениям и замираниям, динамический диапазон которых может достигать 40-45 дБ.
К заградительным ЛП проблема многолучевого распространения имеет следующее отношение: в интерферирующем поле помех появляются «пучности» и «нули», и в положении «нулей» помеха оказывается незначительной, АКП просто не понадобится. Поэтому целесообразно рассмотреть способы, применяемые для борьбы с замираниями в радиолокации, и адаптировать их для гидроакустики применительно к использованию заградительных ЛП работе гидролокатора ПА.
Алгоритм передачи и приема сигнала с использованием пространственно-временного блочного кодирования
За счет случайного характера интерференционных явлений в условиях многолучевого распространения устранить их или компенсировать невозможно. Однако разработаны методы, существенно снижающие их негативное влияние. К их числу можно отнести методы разнесения, которые основаны на том, что замирания в разных каналах независимы. Если передаваемую информацию распределить по нескольким каналам, то пораженной окажется лишь ее часть.
Разнесение можно осуществлять либо по времени, либо по частоте (частотное или кодовое разделение), либо по пространству. При временном раз-несении информация для каждого приемника передается в разные моменты времени. При частотном разнесении сигнал распределяется по широкому диапазону частот с возможностью выбора такого диапазона, в котором нет замираний (GSM), либо передается в широкой общей полосе частот с кодовым разделением каналов, как, например, в системе сотовой связи стандарта CDMA [3].
Применение направленных и многоантенных систем можно отнести к методам пространственного разнесения. Путем обработки в приемном устройстве сигналов, пришедших с разных направлений или с разными задержками, суммируются и формируются параллельные каналы обработки. Предполагается, что при удачном формировании таких параллельных каналов обработки можно достичь состояния, когда сигнал будет приниматься хотя бы в одном канале все время. Это позволит бороться с замираниями, характерными для многолучевого распространения в коротковолновой связи, СВЧ и гидроакустике.
В 1998 г. Сиавашем Аламоути был предложен ортогональный пространственно-временной блочный код, предназначенный для систем MIMO (Multiple Input - Multiple Output - множественный вход - множественный выход) с двумя передающими антеннами [4, 5]. Его целью служило увеличение скорости передачи информации и повышение устойчивости передачи к многолучевому распространению сигнала. В настоящее время данный код введен практически во все стандарты современных систем беспроводной связи - IEEE 802.1 In, 802.1 lac, а также в беспроводных сетях мобильной связи WiMAX и LTE [6-8].
Передающее устройство
Источник Su S2
информации
Пространственно-
временной _кодер_
¿I ~¿2*t
J
Приемник информации Su $2 Матричный преобразователь г2
Канал
Данные о канале
Рис. 1. Схема преобразования сигналов при пространственно-временном кодировании
Fig. 1. Layout of signal transformation in the process of time-space coding
Схема Аламоути обеспечивает значительное разнесение сигналов и высокую скорость передачи информации за счет введения ортогональности по фазе между одновременно передаваемыми сигналами и парами сигналов, последовательно излучаемых каждой антенной [9].
Процесс пространственно-временного кодирования осуществляется на двух временных интервалах длительности t, определяемой шириной полосы модулированного сигнала. Сигналы передаются и принимаются парами (блоком из двух сигналов). На каждом временном интервале, составляющем половину длительности блока t, одновременно передаются два комплексных сигнала Si и S2 через антенны Ai и А2.
На первом временном интервале одновременно передаются сигнал S\ через антенну А] и сигнал S2 через антенну А2. На втором временном интервале одновременно передаются сигнал -S2* через антенну Ai и сигнал Si* через антенну А2. Для простейшего случая с двумя излучающими и одной приемной антенной (рис. 1) эта схема позволяет за два интервала времени передать две половины сигнала два раза. Таким образом, на двух интервалах с разных антенн передается один из сигналов и комплексное сопряжение другого сигнала.
Антенны Ai и А2 должны быть ориентированы друг относительно друга таким образом, чтобы обеспечить как диверсификацию излучаемых сигналов по направлению прихода в точку приема, так и их развязку по поляризации. Прием кодируемого двухсимвольного блока осуществляется на единственную антенну. Такое распределение позволяет осуществить разнесение сигналов по времени (в течение двух тактовых интервалов) и пространству (два сигнала проходят разными путями), увеличивая результирующий сигнал на приеме. Пространствен-
но-временная матрица, соответствующая данной схеме передачи, имеет вид
S =
S1 -S2
>I<
S-> S-i
(1)
= Slhl+s2h2+nl [r2 = -s*2hx + s*xh2 + n2 '
(2)
чаемой передающей антенной. При использовании узкополосного сигнала зависимость коэффициентов передачи канала от частоты можно не учитывать.
Компоненты щ и п2 учитывают влияние адаптивного белого гауссовского шума. Их также можно представить в виде вектора п= [иь п2]. Тогда
где номер строки обозначает номер излучающей антенны, а номер столбца - временной интервал.
Физический смысл описанных манипуляций заключается в том, что если сигналы, излучаемые антеннами передатчика, в первом временном интервале были синфазны, то во втором они будут в противофазе, и наоборот. Если же фазы сигналов в первом интервале ортогональны, то они останутся такими и во втором, с той лишь разницей, что опережение фазы излучения будет поочередно возникать то на первой, то на второй антенне. Кроме того, сигналы, последовательно излучаемые каждой антенной, также будут ортогональными [9].
При распространении такого сигнала будут отсутствовать замирания, которые могут образовываться в точке приема за счет интерференции лучей при многолучевом распространении сигнала. Если первая пара сигналов при интерференции формирует «нули», то вторая будет формировать в этой же точки пространства «пучности», и энергия на приемнике не уменьшится.
Простейший вид приема двухсимвольного сигнала, кодированного по Аламоути, может осуществляться одной приемной антенной и за пару временных отсчетов, в каяедом из которых на приемную антенну поступают сигналы
г =hS + n,
(3)
где г= [гь г2] - вектор принятых сигналов, которые поступят на вход приемника в первый и второй символьные интервалы. Векторы г, к, п являются векторами-строками, что означает прием на одну антенну и описание процесса кодирования в течение двух интервалов времени.
Декодирование сигналов происходит в два этапа. На первом шаге компоненты щ и п2 принимаются равными нулю, производится преобразование Фурье, и линейный приемник вычисляет оценочные значения переданных отсчетов:
-1
\ =(ГЛ*+Г2\)- |Äi|2+|Ä:
?2 =\r\h2-r2h\
\\U\h
-1
(4)
Второй этап декодирования заключается в том, что из множества комплексных отсчетов по алгоритму максимального правдоподобия выбирается тот отсчет, который бы минимизировал расстояние между ним и его оценочным значением, полученным на первом этапе. Математическая запись этого этапа для схемы Аламоути выглядит следующим образом:
где /?] и /?2 - комплексные коэффициенты передачи М1МО-канала в первой и второй антеннах соответственно, образующие вектор передаточных характеристик к = [Аь /г2]. Физически значения к\ и /г2 -это отношение комплексной амплитуды напряжения на выходе приемной антенны к комплексной амплитуде сигнала на входе первой или второй передающей антенны соответственно. Комплексные коэффициенты передачи каналов являются случайной величиной, средние значения действительной и мнимой частей которой полагаются равными нулю, а их дисперсии - по 1/2. Суммарная дисперсия действительной и мнимой частей при этом равна 1, т.е. матрица канала полагается нормированной так, что средняя мощность полезного сигнала на выходе каждой приемной антенны равна мощности, излу-
= arg min d2 (s, äj )
seZ
s2 = argmind2 (s,s2)
seZ
(5)
Оценочные значения по максимуму правдоподобия §1 и §2 поступают на вход демодулятора. Сигнал на выходе приемной антенны равен
(6)
т=1
Выражение (6) показывает, что мощность сигнала на выходе системы пространственно-временного кодирования равна сумме мощностей, поступающих в приемник от всех предающих антенн. Таким образом, при идентичных комплексных коэффициентах передачи канала выигрыш системы со схемой Аламоути по отношению «сигнал/помеха» равен числу излучающих антенн.
Формирование заградительной локальной помехи одиночным источником с разнесенными излучателями
В классической схеме Аламоути разнесенная передача применяется для увеличения скорости передачи либо помехоустойчивости. В первом случае используется искусственная избыточность сигнала, при которой он делится на две половины, каждая из которых передается со своей антенны: половина сигнала с одной антенны, половина - с другой. Во втором случае один и тот же сигнал передается с двух антенн. За счет того, что с каждой из антенн сигнал проходит разный путь, вероятность их интерференции значительно снижается.
В целях генерации заградительной локальной помехи предлагается использовать второй случай с некоторыми модификациями:
1. Посылается случайный битовый поток, а не смысловое информационное сообщение.
2. Длительность одного бита определяется шириной полосы частот сигнала. Чем шире полоса частот, тем меньше длительность одного бита при модуляции.
3. Для формирования сплошного заполнения спектра вместо двухпозиционной фазовой модуляции сигналов на две антенны используется четырехпозиционная, обуславливающая скачок фазы каждого сигнала на я/4, а не я/2. Алгоритм генерации с описанными модификациями здесь и далее будем называть модификация пространственно-временного блочного кодирования (МПВБК). При моделировании такой шумовой локальной помехи имеются некоторые особенности.
Шумовой сигнал излучается в течение всего цикла «излучение - прием» гидролокатора. Этот цикл делится на дискретные отрезки времени, равные длительности дискретной посылки излучаемого сигнала и обратно пропорциональные ширине полосы шумового сигнала.
В каждый такой отрезок каждым излучателем излучается по одному сигналу, которые можно описать выражениями
_-j2nrand(l)-j2nf.
Sx =е
Jn
S2=Sx-e
О)
(8)
к сигналу отличающееся от него по фазе на я/4 со случайным знаком, излучаемое вторым излучателем.
В результате на приемник гидролокатора приходит в каждый дискретный отрезок времени сиг-нально-помеховое поле, содержащее отраженный от цели эхосигнал и два шумовых сигнала, фаза которых всегда различна и случайно меняется во времени. И эта модуляция не уменьшается при многолучевом распространении сигналов, т.к. если пара лучей позволит подавить сигналы с одной фазой, то при изменении фазы между сигналами указанное подавление пропадет.
Расстояние между излучателями шумового сигнала при использовании как двух простых излучателей, так и пары излучателей с МПВБК, на одном носителе ЛП не может превышать 10-20 м, что ничтожно мало по сравнению с дистанцией от них до антенны гидролокатора. Из этого следует, что сигналы с этих излучателей будут иметь высокий коэффициент корреляции на антенне гидролокатора в обоих случаях (рис. 2, 3, см. вклейку).
Интерес представляет разность фаз сигнала, измеряемая между элементами и постоянно изменяющаяся на протяжении всей длительности излучения шумовой помехи. Она необходима для определения направления на шумящий объект и, соответственно, для установки АКП «нуля» ХН антенны гидролокатора с целью подавления этого шумящего объекта. В случае с двумя простыми излучателями она будет стремиться к постоянной (рис. 4, см. вклейку). Это означает, что направление на источник шумового сигнала будет определено, «нуль» ХН сформирован и помеха подавле-
где - случайный модулированный сигнал, излучаемый первым излучателем; - дополнение
Рис. 6. Структура модели сигналов и помех Fig. 6. Structure of signal and interference model
на. Изображенный на рис. 4 скачок разности фаз в центре временного интервала цикла «излучения - прием» характеризуется принятым эхосиг-налом от цели. Изменение фазы обуславливается особенностями приема фазоманипулированного сигнала, который являлся зондирующим.
В случае с парой излучателей, кодированных алгоритмом МПВБК (рис. 5, см. вклейку), разность фаз на протяжении всей длительности излучения шумовой помехи постоянно изменяется. Этот процесс не позволяет определить направление на источник шумового сигнала, а значит сформировать «нуль» ХН и подавить помеху.
Исследование влияния параметров парных источников шумовой локальной помехи на обнаружение эхосигнала от цели проводилось на имитационной компьютерной модели [2, 10] в программном пакете МАТЬАВ. Ее структурная схема, представленная на рис. 6, содержит подмодели сигналов и помех, среды распространения, антенны гидролокатора, а также системы цифровой обработки сигналов в гидролокаторе.
Все вычисления в модели проводились во временной области в общей полосе частот, ширина которой составляла 20 % от рабочей частоты /р. В процессе моделирования имитировалась посылка зондирующего сигнала элементами антенны гидролокатора. На ее основе формировался полезный эхосигнал от цели и естественные помехи, математическая модель формирования которых описана в статье [10]. Кроме того, формировался шумовой сигнал от сдвоенных источников локальных помех по алгоритму МПВБК. Полезный сигнал и помехи генерировались подмоделью сигналов и помех с учетом их изменения при распространении в водной среде для каждого элемента антенной решетки гидролокатора. После генерации все компоненты сигналов и помех суммировались на приемных элементах антенны гидролокатора ПА, преобразовывались через коэффициент акустико-электрической трансформации пьезоэлемента в электрический сигнал и поступали на АЦП и алгоритмы обработки сигналов, включающие полосовую фильтрацию, АКП и обнаружитель полезного сигнала.
В качестве антенны использовалась 52-элементная полу волновая плоская антенная решетка. Рабочий и 4 защитных компенсационных канала образовывались путем амплитудно-фазового распределения. Ширина основного лепестка ХН рабочего канала составляла 26°. В этих пределах осуществляется разрешение целей по угловой ко-
ординате, т.е. их раздельное отображение соответствующим индикатором [11].
Оценка эффективности снижения помехозащищенности гидролокатора к локальной заградительной помехе с разнесенными излучателями Assessment of sonar vulnerability to local barrage interference from distributed emitters
Оценка эффективности снижения помехозащищенности гидролокатора к локальной заградительной помехе с разнесенными излучателями проводилась по параметру О - выигрышу в пороговом отношении «сигнал/помеха» (ОСП), являющемуся отношением максимума текущего ОСП на выходе согласованного фильтра к пороговому отношению «сигнал/помеха»:
0 = ^4 (9)
9пор
где (/,,,,у, = 4,8 для вероятности ложной тревоги
Рт = Ю-5.
При превышении параметром О значения 1 делался вывод о наличии превышения текущим ОСП порогового уровня, что означало подавление ЛП и обнаружение сигнала. В случае если параметр О не достигал 1, делалось заключение об отсутствии обнаружения сигнала от цели.
Сначала проводилось сравнение двух вариантов ЛП: одиночной традиционной ЛП со спектральной плотностью давления (СПД) 20 ПаЛ/Гц, находящейся на дистанции 1000 м от гидролокатора на угловом положении 11°. Цель при этом располагалась на дистанции 1500 м от гидролокатора на угловом положении 5°. Результаты моделирования представлены на (рис. 7, см. вклейку).
Затем при тех же условиях был промоделирован одиночный источник ЛП с парой разнесенных излучателей, кодируемых алгоритмом МПВБК. Результаты моделирования представлены на (рис. 8, см. вклейку).
Из рис. 7 видно, что в направлении ЛП (11°) формируется глубокий «ноль» ХН (до -40 дБ). Это позволяет подавить эту помеху и обнаружить сигнал, что видно из правого нижнего графика. Выигрыш в пороговом ОСП составил О = 2.5. т.е. текущее ОСП превысило пороговое в ~2,5 раза.
Мощность сигнала до АКП равнялась -113 дБ, после АКП - примерно 80 дБ. Таким образом, подавление помехи составило -33 дБ.
При генерировании ЛП по алгоритму МПВБК, результат которого представлен на рис. 8, выигрыш в пороговом ОСП составил () = 0,75. Это означает, что текущее ОСП не превысило пороговое и сигнал от цели обнаружен не был. Мощность сигнала до АКП составляла -130 дБ, после АКП - примерно 125 дБ. Таким образом, подавление помехи составило всего около 5 дБ.
Далее было проведено исследование возможности подавления ЛП, кодированной алгоритмом МПВБК, при ее расположении на одном роботе-носителе, а также на двух роботах-носителях, расстояние между которыми составляло 50 м.
Оценка возможности подавления заградительной локальной помехи
При расположении пары излучателей, кодированных алгоритмом МПВБК, на одном роботе-носителе локальной помехи исследовалось влияние следующих их параметров на подавление ЛП адаптивным компенсатором помех:
1. Суммарная СПД излучения с обоих излучателей ЛП 35 ПаЛ/Гц.
2. Дистанция от гидролокатора ПА до первого робо-та-носигеля ЛП гш в диапазоне 500-1400 м.
3. Угловое положение робота-носителя ЛП в горизонтальной плоскости флп в диапазоне 5-25° относительно оси ХН антенны.
4. Дистанция между излучателями на роботе-носителе ЛП с1 в диапазоне 0-5 м.
Цель, имеющая эквивалентный радиус 4 м, находилась на расстоянии гц = 1500 м под углом относительно оси ХН антенны ПА срц = 5°.
Тактическая схема расположения ПА с гидролокатором с АКП, подводной цели и роботов-носителей заградительных локальных помех представлена на рис. 9, где введены следующие обозначения: ЛП - робот-носитель ЛП; И1 и И2 - излучатели на роботе-носителе.
Выборка для каждого пространственного положения робота-носителя ЛП, каждого значения СПД и расстояния между излучателями составляла 100 опытов. После этого в результат шло среднее значение из выборки.
На (рис. 10, см. вклейку) приведены результаты исследования зависимости подавления ЛП от расстояния между излучателями, а на (рис. 11, см.
Рис. 9. Схема расположения объектов
Fig. 9. Location of objects
Цель Ш1 дп 2
вклейку) - результаты моделирования одной и двух ЛП, кодированных обычным алгоритмом (одиночных ЛП) и алгоритмом МПВБК (сдвоенных ЛП).
Линии графиков означают превышение текущим ОСП порогового значения, т.е. случай, когда параметр превышал 1. Следовательно, при данном пространственном положении робота-носителя (или двух роботов-носителей) и расстояния между излучателями локальная помеха подавлялась АКП и сигнал от цели обнаруживался.
Физически интерпретировать графики на рис. 10 и 11 можно следующим образом. При нахождении роботов-носителей ЛП на дистанциях правее линии графика, соответствующего их значению и с угловыми положениями выше этой линии они будут подавляться 4-канальным АКП гидролокатора ПА на сформированных каналах с защитой главного максимума.
Расстояние между излучателями ЛП, кодированной алгоритмом МПВБК, на роботе-носителе существенно влияет на ее подавление АКП. Так, помеха с разнесенными на 1 м излучателями подавляется при угловом разнесении ЛП и цели на 8° и более. При разнесении излучателей на 3 м подавление ЛП станет возможным при ее угловом разнесении с целью не менее 12-16°, а при й = 5 м - не менее 18°.
Сравнение одной и двух одиночных ЛП, кодированных обычным алгоритмом и алгоритмом МПВБК, показывает, что в случае использования одного робота-носителя ЛП, кодируемой обычным алгоритмом, гидролокатор ПА с 4-канальным АКП на сформированных каналах с защитой главного максимума с легкостью подавляет ее при разнесении ЛП и цели на 1° и более вне зависимости от дистанции даже с большой СПД, составляющей 35 ПаЛ/Гц.
В случае использования двух роботов-носителей ЛП, кодируемых обычным алгоритмом, разнесенных на дистанцию 50 м, подавление помех происходит на дистанциях до 1000 м при угле разнесения цели и ЛП 6-8°, а при дистанциях более 1000 м - при углах разнесения 2-4°.
Использование предлагаемой модификации пространственно-временного блочного кодирования для модуляции излучения шумового сигнала с источников, разнесенных на расстояние <С находящихся на одном роботе-носителе ЛП, позволяет увеличить угловое разнесение цели и ЛП, при котором она начинает подавляться АКП с 1° до 14-16°. А при использовании двух роботов-носителей ЛП, кодированных алгоритмом МПВБК (2 сдвоенных ЛП), угловое разнесение ЛП с целью должно быть не менее 18°, чтобы ее можно было подавить.
Таким образом, обычные локальные помехи, использующие традиционный алгоритм формирования шумового сигнала, имеют малую эффективность. Наиболее эффективным с точки зрения затрудненности подавления ЛП является вариант использования двух роботов-носителей ЛП. излучатели которых кодированы алгоритмом МПВБК. разнесены на расстояние 5 м, имеющих СПД не менее 30-35 Па/л/Гц.
Заключение
Conclusion
Проведенные исследования по оценке эффективности снижения помехозащищенности гидролокатора к заградительной шумовой помехе показали, что:
• Подавление одной одиночной ЛП равнялось —30 дБ, а подавление одной сдвоенной ЛП, кодированной МПВБК, составило ~3-5 дБ.
• Одну сдвоенную ЛП значительно сложнее подавить АКП, чем две разнесенных одинарных ЛП.
• Угловое разнесение цели и двух сдвоенных ЛП, при которых возможно подавление помехи АКП, почти в два раза превышает разнесение цели и двух одиночных ЛП.
• Значительное влияние на отсутствие подавления локальной помехи АКП оказывает расстояние между излучателями на роботе-носителе - чем оно больше, тем больше разность трасс, проходимых сигналом с каждого из излучателей, и тем больше разность фаз сигналов, приходящих на приемную антенну.
Соответственно, тем сложнее определить направление на источник шумового излучения и скомпенсировать его. Появляется эффект раскорреляции помехи. • Дистанция до ЛП слабо влияет на возможность подавления ЛП адаптивным компенсатором помех, формирующим в направлении ЛП «нуль» ХН.
Таким образом, традиционный алгоритм кодирования ЛП малоэффективен. Адаптивный компенсатор помех без труда подавляет как одну, так и две таких локальных помехи.
При кодировании ЛП предлагаемым алгоритмом МПВБК эффективность снижения помехозащищенности гидролокатора к ЛП значительно выше.
Разнесение двух излучателей ЛП на расстояние более 5 м увеличит эффективность ЛП, однако с технической точки зрения обеспечить его на одном малогабаритном ПА будет довольно проблематично.
Подводя итог, можно отметить, что предлагаемый алгоритм формирования заградительной локальной шумовой помехи, генерируемой двумя разнесенными излучателями, находящимися на одном роботе-носителе с разнесением всего на 2-3 м, значительно снижает помехозащищенность гидролокатора ПА с АКП на дистанции локации до 1000-1400 м и относительно прост в реализации.
Дальнейшим направлением исследования станет натурный эксперимент, на котором можно будет подтвердить результаты, полученные при имитационном моделировании.
Библиографический список
1. Семенов H.H., ШонушаусксттеР.С. Эффективность различных адаптивных компенсаторов помех активного гидролокатора с учетом разброса чувствительности элементов антенной решетки // Труды XXI Международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь». Воронеж, 2015. С. 1332-1344.
2. Семенов H.H., Шилина Е.С. Исследование эффективности подавления помех от нестационарных ис-точ-ников // Труды XIII Всероссийской конференции «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики. ГА-2016». СПб., 2016. С. 339-341.
3. Козий A, CDMA - Code Division Multiple Access (Множественный доступ с кодовым разделением) [электрон, ресурс] // IXBT.com. URL: https://
1 0,8 0,6 ■"и* M 0,4 0,2 0
--
О 1 2 3 4 5 6 7 I xlO
Рис. 2. Взаимнокорреляционная функция шумовых сигналов с двух соседних элементов антенны при использовании двух одиночных простых источников локальных помех
Fig. 2. The mutual correlation function of noise signals from two adjacent antenna elements when using two single simple sources of local interference
1 -1-1-П-1-'-r
0,8
0,6
h
0,4
0,2
0 1 2 3 4 5 6 7 т__xlO
Рис. 3. Взаимнокорреляционная функция шумовых сигналов с двух соседних элементов антенны при использовании двух излучателей, кодированных алгоритмом «модификация пространственно-временного блочного кодирования»
Fig. 3. Mutual correlation function of noise signals from two adjacent antenna elements when using two emitters encoded by the "modification of space-time block coding" algorithm
Рис. 4. Разность фаз шумовых сигналов с двух соседних элементов антенны при использовании двух одиночных простых источников локальных помех
Fig. 4. Phase difference of noise signals from two adjacent antenna elements when using two single simple sources of local interference
Рис. 5. Разность фаз шумовых сигналов с двух соседних элементов антенны при использовании одиночного источника ЯП с двумя излучателями по схеме «модификация пространственно-временного блочного кодирования»
Fig. 5. Phase difference of noise signals from two adjacent antenna elements when using a single LP source with two radiators according to the scheme "modification of space-time block coding"
Рис. 7. Результаты моделирования работы адаптивного компенсатора помех при использовании одиночного источника локальных помех: а, б) мощности составляющих сигнально-помехового поля на входе (а) антенны и выходе адаптивного компенсатора помех (б); в) характеристика направленности в процессе компенсации
Fig. 7. The simulation results of the adaptive noise compensator when using a single source of local interference: a, b) the power of the components of the signal-interference field at the input (a) of the antenna and the output of the adaptive noise compensator (Ь); c) directivity characteristic in the compensation process
Distance, m Дистанция, м ф, °
Рис. 8. Результаты моделирования работы адаптивного компенсатора помех при использовании одиночного источника локальных помех с двумя разнесенными излучателями, модулируемыми алгоритмом «модификация пространственно-временного блочного кодирования»: а, б) мощности составляющих сигнально-помехового поля на входе антенны (а) и на выходе адаптивного компенсатора помех (б); в) характеристика направленности в процессе компенса
Fig. 8. The simulation results of the adaptive noise compensator when using a single source of local interference with two separated radiators modulated by the algorithm "modification of the space-time block coding": a, b) power of the signal-interference field components at the antenna input (э) and at the output of the adaptive noise canceller (Ь); c) directivity characteristic in the compensation process
Рис. 10. Зависимость превышения порогового отношения «сигнал/помеха» текущим отношением «сигнал/помеха» от дистанции и углового положения двух роботов-носителей локальных помех для четырех значений расстояния между излучателями
Fig. 10. Dependence of the threshold signal-to-noise ratio exceeding by the current signal-to-noise ratio on the distance and angular position of two local interference robots for four values of the distance between radiators
Рис. 11. Зависимость превышения порогового отношения «сигнал/помеха» текущим отношением «сигнал/помеха» от дистанции и углового положения одного и двух роботов-носителей обычных локальных помех и локальных помех, кодированных алгоритмом «модификация пространственно-временного блочного кодирования»
Fig. 11. Dependence of the threshold signal-to-noise ratio exceeding by the current signal-to-noise ratio on the distance and angular position of one and two robots carrying normal local interference and local interference encoded by the modification of space-time block coding
www.ixbt.com/mobile/cdrna.html/ (дата обращения: 19.01.2019).
4. Alamouti SM. A simple transmit diversity technique for wireless communications // IEEE J. Select. Areas Communication. 1998. Vol. 16. № 8. 1998. P. 1451-1458.
5. Пространственно-временное блочное кодирование в системах связи с ортогональным частотным разделением каналов ,// Патент РФ 2344555, MITK H04L1/06, H04J11 / Наджиб Дичай Фавзи; заявитель и патентообладатель Квэякомм Инкорпорей-тед. №2006144834/09; заявл, 29.04.05; опубл. 20.01.09, Бюл. № 2. 20 е.: 5 ил,
6. MIMO [электрон, ресурс], Л ВикипеДия. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/MIMO (Дата обращения: 23.11.2018).
7. Бакулин М, Крейнделин В., Варукина Л. Технология MIMO: принципы и алгоритмы. М.: Еорячая линия - Телеком. 2014.
8. Кренкель Т.Э., Курашов Э.С. Моделирование системы MIMO с использованием SIMULINK // Т-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2015. Т. 9. № 8. С. 21-25.
9. Раишч А.В. Сети беспроводного доступа WiMAX. Учебное пособие. СПб.: Изд-во Политехнического университета, 2011.
10. Белое Б.П., Маронов Н.В., Семенов Н.Н. Адаптивный компенсатор помех гидролокатора, работающий во временной области // Труды XI Всероссийской конференции «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики. ГА-201'2». СПб., 2012. С. 378-382.
11. Евтютов А.П., Митько В.Б. Инженерные расчеты в гидроакустике. Д.; Судостроение, 1988.
References
1. N. Semenov, R. Yonushauskaite. Efficiency of various adaptive interference compensators of active sonar taking into account sensitivity scatter of its array // Transactions of the XXIst International Scientific and Technical Conference Radiolocation, Navigation, Communications (RLNC). Voronezh, 2015, pp. 1332-1344 (in Russian).
2. N. Semenov, Ye. Shilina. Suppression efficiency of interference generated by unsteady sources // Transactions of the Xlllth All-Russian conference Applied technologies of hydroacoiistics and hydro-physics ((Ы-2016). St. Petersburg, 2016, pp. 339-341 (in Russian).
3. A. Kozin. CDMA - Code Division Multiple Access. URL: https://www.ixbt.com/mobile/cdma.html, accessed on 19.01.2019 {in Russian).
4. Alamouti S.M. A simple transmit diversity technique for wireless communications //IEEE T Select. Areas Communication. 1998. Vol. 16. № 8. 1998. P. 1451-1458.
5. Time-space block coding in communications systems with orthogonal frequency division of channels // Russian Patent 2344555, MIIK H04L1/06, H04J11 / Najib Ayman Fawzy; applicant and patent owner Qualcomm Inc. No. 2006144834/09; application date 29.04.05; publication date 20.01.09, Bull. No. 2, 20 pp., 5 illustrations (in Russian).
6. MIMO, URL: https://tu.wikipedia.org/wiki/MIMO, accessed on 23.11.2018 (in Russian).
7. M, Bakutin, V. Kreindelin, h. Varukina. MIMO technology: principles and algorithms. Moscow, Goryachaya liniya - Telekom, 2014 (in Russian).
8. T. Krenkel, E, Kurashov. Simulation of MIMO system in SIMULINK // T-comm: Telecommunications and trans-port. 2015, Vol. 9, No. 8, pp. 21-25 (in Russian).
9. A. Rashich. WiMAX wireless access networks. Student's guide. St. Petersburg, Publishing House of St. Petersburg Polytechnical University. 2011 (in Russian).
10. B. Belov, I. Mironov, N. Semenov. Adaptive sonar interference compensators operating in time domain // Transactions of Xlth All-Russian conference Applied technolo-gies of hydroacoiistics and hydrophysics (GA-2012). St. Petersburg, 2012, pp. 378-382 (in Russian).
11. A. Yevtyutov, V-, Mitko. Engineering calculations in hydroacoiistics. Leningrad, Sudostroyeniye, 1988 (in Russian).
Сведения об авторах
Шшина Екатерина Сергеевна, старший преподаватель Санкт-Петербургского государственного морского технического университета. Адрес: 197046, Россия, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., 5. Тел,: +7 921 426-63-45. E-mail: [email protected].
IIIimiiH MiLtaitn Михайлович, старший преподаватель Санкт-Петербургского государственного морского технического университета. Адрес: 197046, Россия, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., 5. Тей:,:. +7 911 271-37-33. E-mail: shilin_m_m(a)corp.smtu.ru.
Семенов Николай Николаевич, к.т.н., доцент Санкт-Петербургского государственного морского технического университета. Адрес: 197046, Россия, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., 5. Тел.: +7 921 940-40-62. E-mail: nsemenoffMHnail.ru.
About the authors
Shilina, Yekaterina S., Senior Lecturer, St. Petersburg State Marine Technical University, address: 5, Kronverksky prospect, St. Petersburg, Russia, post code 197046, tel.: +7 921 426-63-45. E-mail: [email protected]. Shilin, Mikhail M, Senior Lecturer, St. Petersburg State Marine Technical University, address: 5, Kronverksky prospect, St.
Petersburg, Russia, post code 197046, tel.: +7 911 271-37-33. E-mail: [email protected]
Semenov, Nikolay N., Cand. Sei. (Eng), Associated Prof., St. Petersburg State Marine Technical University, address: 5, Kronverksky prospect, St. Petersburg, Russia, post code 197046, tel.: +7 921 940-40-62. E-mail: [email protected]
Поступила / Received: 24.06.19 Принята в печать / Accepted: 29.08.19 © Коллектив авторов, 2019
