CC BY
52использование антенной системы в виде нескольких приемных элементов с совпадающими центрами, которые представляют K основных и K (K -1) смешанных каналов. Характеристики ДНА смешанных каналов объединяют в себе свойства основных каналов. Алгоритм двухэтапного восстановления РТИ может найти применение в системах радиовидения с использованием специальных процессоров обработки данных в матричной форме.
Библиографический список
1. Пирогов Ю. А. Пассивное радиовидение в миллиметровом диапазоне // Радиотехника. 2003. № 2. С. 4-11.
2. Пирогов Ю. А., Тимановский А. Л. Сверхразрешение в системах пассивного радиовидения миллиметрового диапазона // Радиотехника. 2006. № 3. С. 14-19.
3. Пат. РФ 2284548 C1. Способ наблюдения за поверхностью и воздушной обстановкой на базе бортовой РЛС / В. К. Клочко (РФ). МПК: G01S 13/02. Приоритет 23.06.2005. Опубл.: 27.09. 2006. Бюл. № 27.
4. Пат. РФ 2292060 C1. Способ наблюдения за воздушными объектами и поверхностью на базе бортовой РЛС / В. К. Клочко (РФ). МПК: G01S 13/02. Приоритет 28.06.2005. Опубл.: 20.01. 2007. Бюл. № 2.
5. Беллман Р. Введение в теорию матриц / Пер. с англ. М.: Наука. 1976. 351 с.
6. Монзинго Р. А., Миллер Т. У. Адаптивные антенные решетки: Введение в теорию / Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1986. 448 с.
7. Василенко Г. И., Тараторин А. М. Восстановление изображений. М.: Радио и связь, 1986. 304 с.
V. K. Klochko
Ryazan state radio equipment university
Two stage images reconstruction on the base of multichannel radio and heat location station
The method of the two stage radio and heat images reconstruction in multichannel radio and heat location stations is offered and investigated. The method permits to increase precision and velocity of reconstruction by increasing the number of measure channels and making operations in matrix form.
Radio and heat location, RLS resolution
Статья поступила в редакцию 10 января 2008 г.
УДК 621.396.96
А. О. Чемаров
ФГУП НИИ "Вектор"
| Широкополосный мобильный поисковый радиопеленгатор
Представлен алгоритм совместного обнаружения в частотной области и оценки угловых координат источников радиоизлучения для сложной сигнально-помеховой обстановки. Описан макет поискового пеленгатора, функционирующий в соответствии с разработанным алгоритмом.
Радиопеленгация, широкая полоса, фазовый метод, спектрограмма, пеленгатор
Для обеспечения мобильности, быстрого развертывания, надежности и сокращения аппаратных средств системы радиомониторинга разрабатываются поисковые радиопеленгаторы с минимальным количеством элементов антенной системы (ЭАС) и каналов радиоприемного устройства (РПУ). Процесс поиска сигналов по частоте и процесс оценки угловых координат (УК) источников радиоизлучения (ИРИ) в таких пеленгаторах совмещены.
© Чемаров А. О., 2008 53
Сигнально-помеховая обстановка просматриваемого частотного диапазона сложная, характеризуется множеством сигналов с неопределенными параметрами, перекрытием спектров сигналов по частоте и возможным присутствием сигналов с псевдослучайным перестроением радиочастоты (ППРЧ).
В настоящей статье описан макет поискового пеленгатора и реализованный в макете алгоритм обработки выходных процессов (ВП) каналов РПУ макета.
Однозначное определение УК ИРИ возможно при трех ЭАС. Для обеспечения равномерной по пеленгу точности оценки УК ЭАС расположены в вершинах равностороннего треугольника. ЭАС подключены к когерентным широкополосным каналам РПУ. Под широкополосным понимается канал, полоса которого значительно превышает ширину спектра сигналов ИРИ.
Вследствие широкой полосы каналов РПУ совмещение процессов поиска по частоте (совместного обнаружения и оценивания частоты) и оценки УК ИРИ обеспечивает высокую скорость обзора по частоте. Обнаружение, оценка частоты и оценка УК ИРИ производятся в частотной области.
Наблюдаемыми данными являются комплексные дискретные отсчеты ВП каналов
РПУ, образованные квадратурными составляющими: х*а (I) = Яе[х*а (*)] + у 1т[х*а (*)],
к ф
х*а (*) = па (*) + X % )е Л , * = 1...-№, (1)
к=1
где па (*) - отсчеты реализации шума; а = 1, 2, 3 - номер канала РПУ (и соответствующего ЭАС); К - количество сигналов в наблюдаемых данных; $>к - реализация к-го сигнала в первом канале РПУ; т - интервал дискретизации; Фак - фазовый сдвиг реализации
к-го сигнала в а-м канале РПУ относительно первого канала; N - база (размер) дискретного преобразования Фурье; Р - количество спектральных функций. Считаем, что шум "белый" гауссовский с неизвестной дисперсией.
Для рассматриваемой геометрии антенной системы:
ф1,к = 0; ф2,к = 2пёс°8(Фк)с°8(0к ); ф3,к = 2пёс°8(Фк -п/3)с°8(ек ), где фк и 0к - пеленг и угол места к-го сигнала соответственно; ё - расстояние между ЭАС, измеряемое в долях длины волны.
Представим наблюдаемые данные в форме спектрограмм [1]:
N _ _
ха (г, Р) = X х*а (+ N^1) w (*) е-^, г = 0, N -1, р = 0, Р -1, г=1
где w (*) - взвешивающая временная оконная функция.
Из свойства линейности преобразования Фурье следует:
К N
Ха (г, Р) = е]фак X ¿Ц (г, Р) + Па (г, Р) ; ^ (г, р) = £ % (+ ^т) w (*)е-^, (2)
к=1
где £ (/, р) - представление £-го сигнала в спектрограмме первого канала РПУ; ца (/, р)
- составляющая реализации шума в спектрограмме.
Объединим отсчеты спектрограмм по временной координате в вектор:
■ф к
Ха (/) = е а,£ ^ 8],£ (/) + Па (/),
где 8
£=1
1,£ 00 = {¿1,£ (/,0), -, ¿1,£ & Р - ])| , Па,£ (О = {Па,£ (/,0), %,£ & Р - 0} .
Так как полоса каналов РПУ значительно превышает ширину спектра сигналов £, то представления сигналов в спектрограмме занимают ограниченные интервалы на дискретной шкале частот: 8] £ (/) = 0 ; / < /нач £ и / > /кон £, где 0 - нулевой вектор; [/нач £, /кон £ ] -
частотный интервал, в котором присутствует £-й сигнал.
Вследствие априорной неопределенности ширины частотных интервалов сигналов и для обеспечения высокой разрешающей способности по частоте обнаружение и оценка УК производятся в каждом частотном отсчете (ЧО). Для каждого ЧО сформулированы три гипотезы: Н0/ - сигналы отсутствуют; Н] - присутствует один сигнал; Н2/ - присутствуют два сигнала и более.
Решение о наличии сигналов Н] и Н2/ производится в соответствии с правилом энергетического обнаружения в частотной области по критерию Неймана-Пирсона:
В (/) > а ^ Щ и Н2/; В (/) < а ^ Н0/, (3)
1 3
где В (/) = - ^ Ва (/ )/ 82 - отсчет усредненной по каналам нормированной к уровню шума 3 а=1
периодограммы Бартлетта [2]; а - порог обнаружения; Ва (/) = ||ха (/^|2/Р; 52 - цензуриро-ванная квантильная оценка [3] дисперсии шума в периодограмме Бартлетта Ва (/) а-го канала; ||-|| - норма вектора. Данная оценка применяется при заполненности просматриваемого частотного диапазона (доле частотных отсчетов, в которых присутствуют сигналы) до 80%.
После принятия решения Н1/ и Н2/ производится проверка наличия только одного
сигнала в данном ЧО, учитывающая уровень сигнала В (/), и основанная на свойстве скалярного произведения векторов:
x1 (i), x2 (i )
h (i ^ x 2 (i)
<
p
Vb(7)
n
n
x1 (i), x3 (i)
^ (i 1 x3 (i)
<
p
VBoj
n
x2 (i), x3 (i)
x2 (i 1 x3 (i)
<
p
тш
=>Hi
(4)
иначе => Н2/,
где О - скалярное произведение; в - порог принятия решения, выбираемый по заданной вероятности верного принятия решения о наличии одного сигнала.
1
1
1
При принятии гипотезы Й^ формируется максимально правдоподобная оценка фазовых сдвигов для данного ЧО:
®2,k (' > = аг§ [(х2 >, X1У)]; ф3,k У = ar§ [(x3 >, X1))], (5)
Затем определяются интервалы на дискретной оси частот, в которых присутствует сигнал одного ИРИ:
['нач k, 'кон k ] : — 'нач k,' < 'кон k
n
Ф2к (i) - ф2,k (i + i) < WB 1 (i) + B 1 (i +1) n Ф3к (i)-Ф3к (i +1) <Y V B-1 (i) + B"1 (i +1) ,
(6)
где у - порог объединения ЧО, определяемый по заданной вероятности верного принятия решения о наличии только одного сигнала в соседних ЧО.
После определения частотного интервала, в котором присутствует один сигнал, оценки УК соответствующего ИРИ формируются фазовым методом. Эффективная оценка угловых координат к-го сигнала
ф k = atan
ф3,к -
Ф
2,к
Тзф
3,к
2 ;
; 9 к = arccos
V
2Фз,к - Ф
3
2,к ) 2 -+ф2,к
/(2nd ), (7)
где atan [•] - функция, определяющая угловую координату полярной системы по декартовым координатам; Ф ак= arg
кон к
£ (хя (г), х (г))
1 _гнач к
Производимая по (4) проверка не требует сложных вычислений, численного поиска и позволяет исключить из формирования оценки УК фазовым методом (7) ЧО, в которых присутствуют более одного сигнала.
Таким образом, сформировано множество обнаруженных сигналов, каждому из которых соответствует оценка его положения на оси частот и оценка УК:
[гнач к, гкон к ], фк, ^к .
В постановке задачи (2) сигналы с ППРЧ являются суммой сигналов с одинаковыми УК, но локализованных в разных частотных интервалах, и при обнаружении по алгоритму (3)-(7) эти сигналы будут определены как сигналы с разными положениями на оси частот, но с близкими оценками УК. Для автоматического вынесения решения о наличии сигналов с ППРЧ и оценки их УК формируется азимутальная гистограмма обнаруженных сигналов. При превышении в некотором отсчете гистограммы порога обнаружения сигналов с ППРЧ решение о наличии такого сигнала выносится по среднему значению оценок пеленга, попавших в данный отсчет гистограммы.
л
(
2
======================================Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2008. Вып. 6
Макет поискового пеленгатора, функционирующий в соответствии с разработанным алгоритмом, состоит из трехканального когерентного РПУ, ЭВМ с центральным процессором Pentium-IIll 800 МГц и трехка-нальной платой цифровой обработки сигналов, трехкоаксиального фидера длиной 100 м, трех активных вибраторных антенн. Узлы обработки, развернутые на мобильном носителе, показаны на рис. 1, а система антенн в рабочем положении - на рис. 2. Постановка задачи (1) предполагает идентичность каналов. Для обеспечения идентичности результатов АЧХ и взаимные ФЧХ каналов РПУ измерялись в частотной области при подаче через разветвитель на входы РПУ широкополосного сигнала с равномерной спектральной плотностью мощности, далее производилась полиномиальная аппроксимация ЧХ. Несинхронность каналов РПУ устранялась их калибровкой по внутреннему генератору контрольного сигнала РПУ на центральной частоте настройки. В реализованном в пеленгаторе алгоритме P = 20, N = 4096, полоса трактов РПУ составила 100 кГц, длительность наблюдаемых данных 0.5 с.
На рис. 3 показаны выходные данные макета поискового пеленгатора (изображение на экране ЭВМ) при настройке на диапазон вещательных станций 13 650|кГц. В верхней части рис. 3 приведены оценки пеленга ЧО, полученные согласно (7), а в нижней - усредненная за 0.5 с периодограмма Бартлетта ВП (по оси абсцисс отложены отсчеты частоты, полученные по формуле f = (13 595 +100 i¡N) кГц ). Замкнутыми кривыми обведены группы оценок УК в тех ЧО, где по (4) принято решение о наличии нескольких сигналов. Эти отсчеты отбракованы в соответствии с (6) и в формировании оценок УК (7). Таким образом отбраковка ЧО, недопустимых для оценки УК фазовым методом, происходит автоматически совместно с решением о наличии более чем одного сигнала.
Отображение результатов автоматического обнаружения и пеленгования двух имитаторов ППРЧ-сигналов в диапазоне вещательных станций показано на рис. 4 (отсчеты частоты на оси абсцисс получены как f = (11 540 +100 i¡N) кГц). Угловое расстояние между имитаторами составляло 8°, длительность посылок - 200 и 5 мс.
Измерение инструментальной среднеквадратической ошибки (СКО) пеленгования проводилось во всем диапазоне рабочих частот пеленгованием ИРИ-имитатора, располо-
Рис. 2
Рис. 4
женного по пеленгам 6, 42 и 335° на расстоянии 100...150 м от антенной системы. Расстояние от имитатора и от антенной системы до границ поля составляло 40.150 м. Отбраковка оценок пеленгов не проводилась. Инструментальная и эксплуатационная среднеквадратические ошибки пеленгования при различных базах антенной системы представлены в таблице. Измеренная инструментальная ошибка обусловлена неидентичностью каналов РПУ и антенно-фидерной системы, а также влиянием неоднородности почвы и присутствием растительности. Согласно результатам измерений увеличение базы (расстояния между ЭАС) в 2-3 раза не ведет к уменьшению инструментальной СКО измерявшейся по сильным сигналам от близко расположенного имитатора. Эксплуатационная СКО измерялась по сигналам вещательных станций декаметрового диапазона при отношении "сигнал/шум" 6.12 дБ. Эксплуатационная СКО, помимо факторов, влияющих на инструментальную СКО, обусловлена величиной отношения "сигнал/шум" и ионосферными флуктуациями радиолучей.
Из результатов, полученных аналитически, методом статистического моделирования и с использованием разработанного макета, можно сделать следующие выводы:
• обнаружение и определение УК-сигналов, присутствующих в трактах РПУ, в том числе ППРЧ-сигналов, осуществлялись в течение 0.5 с;
• при обработке гармонического сигнала пороговое отношение "сигнал/шум" в полосе 3 кГц составило - 12 дБ, а при обработке сигнала с шириной спектра 3 кГц пороговое отношение "сигнал/шум" составило 3 дБ;
• инструментальная точность пеленгования без отбраковки составила 2.4°, эксплуатационная равнялась 4...5° при отношении "сигнал/шум" 10 дБ;
• пеленгование осуществлялось в секторе 0.360°, точность определения угла места достаточна для селекции круто спадающих сигналов;
• разрешающая способность по частоте составила 100 Гц;
• простая конфигурация антенной системы обеспечила мобильность и позволила развертывать пеленгатор за 15 мин;
• загрузка центрального процессора ЭВМ при реализации разработанного алгоритма составила около 2%. Возможна реализация алгоритма в плате цифровой обработки сигналов, а также осуществление фильтрации и анализа сигналов на ЭВМ поискового пеленгатора.
Библиографический список
1. Сергиенко А. Б. Цифровая обработка сигналов. СПб.: Питер, 2003. 608 с.
2. Марпл С. Л.-мл. Цифровой спектральный анализ и его приложения / Пер. с англ. М.: Мир, 1990. 584 с.
3. Чемаров А. О. Устойчивая оценка уровня шума для систем радиомониторинга // Изв. СПбГЭТУ "ЛЭТИ". 2008. № 1. С. 35-39.
База, м. Диапазон частот, МГц Инструментальная СКО, о Эксплуата -ционная СКО, .о
4.5 1.5.5 4.0 5.3
5.30 2.1 4.0
6.4 1.5.22 2.0 4.0
11 1.5.12 2.8 4.5
Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2008. Вып. 6===============================
A. O. Chemarov
Science research institute "Vector"
Wideband mobile search direction-finder
The algorithm of joint emitters detection and angle coordinates estimation in frequency domain for complex ensemble of signals is developed. The model of search direction-finder working by developed algorithm is described.
Direction estimation, wideband, phase method, spectrogram, direction-finder
Статья поступила в редакцию 10 декабря 2008 г.
