Радиотехника и электроника, 2020, T. 65, № 8, стр. 809-812

ВВЕДЕНИЕ

Задачи приема и пеленгования сигналов радиоизлучающих динамических объектов (ДО) не являются новыми, и сталкиваться с их решением приходится множеству разработчиков радиотехнических систем. В качестве элементов, выполняющих функции приема и пространственной селекции принимаемых сигналов, в зависимости от выбранной структуры, используются раздельные или совмещенные антенные системы (АС). В первом случае в качестве устройства первичной обработки сигналов используется диаграммообразующее устройство (ДОУ) на основе гибридных соединений [1] либо перекрестных переключателей [2], во втором случае ДОУ не требуется и сигналы рассогласования выделяются при вторичной обработке [3]. Компенсация ухода равносигнального направления (РСН) от геометрической оси АС в [1, 2] производится автоматически, а в [3] – путем периодически выполняемого выравнивания коэффициентов передачи в пеленгационных каналах по сигналу от источника контрольного сигнала. Это приводит к основному недостатку совмещенной амплитудной моноимпульсной АС – зависимости от контрольной антенны – и делает актуальным проведение исследования, направленного на его устранение. Предложенный в [4] порядок определения центральной точки группировки шумовых выборок и дисперсии шума открывает для этого новые возможности.

В данной работе предпринята попытка разработать метод совместного приема и моноимпульсного пеленгования сигналов радиоизлучающих ДО, базирующийся на выравнивании коэффициентов передачи в пеленгационных каналах по дисперсиям шумов.

1. ПОСТАНОВКА И РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ

Пусть АС комплекса радиомониторинга ДО выполнена по схеме, приведенной на рис. 1.

Параметры элементов схемы обеспечивают синфазное сложение сигналов, принимаемых излучающими элементами ИЭ1…ИЭ4 в динамическом диапазоне принимаемых сигналов, что при выполнении условия наведения АС на ДО обеспечивает решение задачи приема сигналов.

Пусть также по результатам приема радиоизлучения с направления на контролируемый объект, его регистрации и обработки в полосе параллельного анализа $\Delta F$ в каждом информационном канале ИК1…ИК4 построены усредненные периодограммы, соответствующие смещенным на ширину диаграммы направленности относительно геометрической оси направлениям в вертикальной $j = 1$, $j = 3$ и горизонтальной $j = 2$, $j = 4$ плоскостях:

где $N$ – число частотных каналов, ${{P}_{{ji}}}$ – спектральная плотность мощности сигнала в i-м частотном канале j-й периодограммы.

Динамический диапазон изменения P_ji в устройстве обработки согласован с динамическим диапазоном сигналов на выходах ИК1…ИК4. Априорная информация о числе каналов с сигналом и шумом задана неравенствами $N1 \gg 1$, $N1 \ll N - N1$, где N1 – число частотных каналов, занимаемых сигналом. Известно также, что присутствующий в периодограмме сигнал является единственным, полностью находится в ее пределах, а его расположение на частотной оси не определено.

В качестве показателя, характеризующего качество решения задачи пеленгования, примем выраженное в процентах изменение значения ухода РСН в разрабатываемом методе $\Delta {\text{РС}}{{{\text{Н}}}_{{{\text{рм}}}}}$ по отношению к известному $\Delta {\text{РС}}{{{\text{Н}}}_{{\text{и}}}}$

Требуется разработать метод совместного приема и моноимпульсного пеленгования сигналов радиоизлучающих динамических объектов, позволяющий за счет незначительного увеличения $\Delta {\text{РС}}{{{\text{Н}}}_{{{\text{рм}}}}}$ по отношению к значению, найденному в [3], отказаться от необходимости использования контрольной антенны.

Уменьшение ухода РСН относительно геометрической оси АС требует периодического выравнивания коэффициентов передачи в пеленгационных каналах ИК1…ИК3 и ИК2…ИК4 в процессе эксплуатации комплекса, что при линейности приемных трактов после нормировки разностных сигналов к суммарным в идеале обеспечит минимально возможный уход РСН от геометрической оси антенны и независимость крутизны формируемых дискриминационных характеристик по азимуту и углу места от уровня принимаемого сигнала. В качестве параметров, позволяющих выполнить такую операцию в условиях отсутствия источника контрольного сигнала, по аналогии с [3] используем дисперсии шумов в пеленгационных каналах $\sigma _{1}^{2},\;\sigma _{2}^{2},\;\sigma _{3}^{2},\;\sigma _{4}^{2}$.

Для каждого j-го информационного канала по аналогии с [4] определим максимальное значение ${{P}_{{ji}}}$:

Сформируем на интервале $[0,...,{{P}_{{j\max }}}]$ множество из M точек, отстоящих друг от друга на интервал $\Delta $:

Априорная неопределенность по числу накоплений h при построении усредненных периодограмм $[{{f}_{i}},{{P}_{{ji}}}]$ позволяет высказать предположение о стремлении законов распределения шумовых выборок к гаусовскому с ростом h.

По аналогии с [4] введем в рассмотрение функцию, характеризующую степень близости элемента ${{P}_{{ji}}}$ к точке ${{P}_{{jm}}}$ из множества $\left[ {0,\Delta ,2\Delta ,...,M\Delta } \right]:$

где m – формоопределяющий параметр, характеризующий степень концентрации элементов ${{P}_{{ji}}}$ вблизи точки ${{P}_{{jm}}}$.

При соответствующем выборе m функция принадлежности (4) обладает фильтрующими свойствами к сильно отклоненным от ${{P}_{{jm}}}$ параметрам ${{P}_{{ji}}}$ и не обладает таковыми к слабо отклоненным, что позволяет предварительно оценить центральную точку шумового кластера ${{P}_{{jm*}}}$ как абсциссу ее локального максимума по алгоритму

При разработке алгоритма определения центральной точки шумового кластера воспользуемся следующими положениями:

– оценивание центральной точки шумового кластера ${{P}_{{jm*}}}$ по максимуму функции $\mu ({{P}_{{jm}}})$ из-за низкой ее крутизны вблизи точки локального максимума неэффективно;

– максимально правдоподобную оценку ${{P}_{{jm*}}}$ при симметричной относительно максимума форме функции $\mu ({{P}_{{jm}}})$ обеспечивает ее оценивание по методу центра тяжести;

– симметричность формы функции $\mu ({{P}_{{jm}}})$ может нарушаться из-за наличия «хвоста» в законе распределения шумовых выборок в построенных усредненных периодограммах.

С учетом сказанного определим уточненное значение ${{P}_{{jm*}}}$ по абсциссе центра тяжести фигуры, ограниченной кривой $\mu ({{P}_{{jm}}})$ в пределах от ${{P}_{{jE(0.5m*)}}}$ до ${{P}_{{jE(1.5m*)}}}$:

где E(*) – целая часть от числа, стоящего в скобках.

Переформируем исходные периодограммы путем вычитания из каждого ее элемента ${{\bar {P}}_{{{{j}^{{}}}}}}$ и по полученным массивам $[{{f}_{i}},{{P}_{{ji}}} - {{\bar {P}}_{{jm*}}}]$ определим дисперсии шумов в каналах $\sigma _{1}^{2},\;\sigma _{2}^{2},\;\sigma _{3}^{2},\;\sigma _{4}^{2}$ путем селекции и усреднения отрицательных элементов ${{P}_{{ji}}} - {{\bar {P}}_{{jm*}}}.$

Знание $\sigma _{1}^{2},\;\sigma _{2}^{2},\;\sigma _{3}^{2},\;\sigma _{4}^{2}$ позволяет определить коэффициенты, характеризующие степени неидентичности третьего канала относительно первого, а второго относительно четвертого:

Коэффициенты k₃₁ и k₂₄ показывают, во сколько раз необходимо увеличить коэффициенты передачи третьего и второго каналов, чтобы они сравнялись соответственно с коэффициентами передачи первого и четвертого.

Выделение сигнального кластера в каждом информационном канале произведем путем селекции и усреднения положительных элементов ${{P}_{{ji}}} - {{\bar {P}}_{{{{j}^{{}}}}}}$, превышающих порог:

где Р_лт – заданная вероятность ложных тревог при обнаружении сигнала.

Обозначая через ${{\hat {P}}_{j}}$ усредненную мощность сигнала в каждом информационном канале, сигналы рассогласований в азимутальной $\alpha $ и угломестной $\beta $ плоскостях запишем в виде

Структурная схема формирователя сигналов рассогласований в плоскостях пеленгации приведена на рис. 2.

Формирователь сигналов работает следующим образом. Сигналы ИК1…ИК4 с моноимпульсной антенной системы поступают на входы четырехканального устройства обработки, в котором последовательно соединены: четырехканальное радиоприемное устройство 4К РПУ, четырехканальный аналого-цифровой преобразователь 4К АЦП, четырехканальный регистратор 4К РГ и четырехканальный построитель усредненных периодограмм 4К ПУП. Они выполняют функции селекции принимаемых сигналов в согласованной полосе частот и их преобразования на промежуточную частоту (ПЧ), аналогово-цифрового преобразования, регистрации и построения усредненной периодограмм $[{{f}_{i}},{{P}_{{ji}}}]$. Построенные периодограммы поступают на входы вычислителя сигналов рассогласований по азимуту и углу места (ВСР), где производится вычисление дисперсий шумов в каналах $\sigma _{1}^{2},\;\sigma _{2}^{2},\;\sigma _{3}^{2},\;\sigma _{4}^{2}$, степеней неидентичности третьего канала относительно первого ${{k}_{{31}}} = {{\sigma _{3}^{2}} \mathord{\left/ {\vphantom {{\sigma _{3}^{2}} {\sigma _{1}^{2}}}} \right. \kern-0em} {\sigma _{1}^{2}}}$ и второго относительно четвертого ${{k}_{{24}}} = {{\sigma _{2}^{2}} \mathord{\left/ {\vphantom {{\sigma _{2}^{2}} {\sigma _{4}^{2}}}} \right. \kern-0em} {\sigma _{4}^{2}}}$, усредненных мощностей сигналов в каналах ${{\hat {P}}_{1}},\;{{\hat {P}}_{2}},\;{{\hat {P}}_{3}},\;{{\hat {P}}_{4}}\;$ и сигналов рассогласования в плоскостях пеленгации $\alpha $, $\beta $. Управление работой четырехканального устройства обработки и ВСР осуществляется с устройства управления УУ.

2. РЕЗУЛЬТАТЫ НАТУРНЫХ ИСПЫТАНИЙ

Для проверки эффективности разработанного метода были проведены натурные испытания контура слежения, собранного по схеме: моноимпульсная АС–формирователь сигналов рассогласований–электропривод наведения по азимуту и углу места. В качестве объекта для сравнения был выбран метод, базирующийся на выравнивании коэффициентов передачи в пеленгационных каналах по контрольному источнику сигнала [3], в качестве сравниваемого параметра – уход РСН от геометрической оси АС. Имитация неидентичности производилась путем введения в каналы ИК1 и ИК2 аттенюаторов с затуханием 1 дБ. Определение входящих в (1) $\Delta {\text{РС}}{{{\text{Н}}}_{{{\text{рм}}}}}$ и $\Delta {\text{РС}}{{{\text{Н}}}_{{\text{и}}}}$ производилось путем выполнения следующей последовательности операций:

– однократное оценивание коэффициентов ${{k}_{{31}}}$ и ${{k}_{{24}}}$ в разработанном методе и объекте сравнения производилось путем вычисления ${{k}_{{31}}} = {{\sigma _{3}^{2}} \mathord{\left/ {\vphantom {{\sigma _{3}^{2}} {\sigma _{1}^{2}}}} \right. \kern-0em} {\sigma _{1}^{2}}}$, ${{k}_{{24}}} = {{\sigma _{2}^{2}} \mathord{\left/ {\vphantom {{\sigma _{2}^{2}} {\sigma _{4}^{2}}}} \right. \kern-0em} {\sigma _{4}^{2}}}$ для разработанного метода и ${{k}_{{31}}} = {{{{{\hat {P}}}_{3}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{{{\hat {P}}}_{3}}} {{{{\hat {P}}}_{1}}}}} \right. \kern-0em} {{{{\hat {P}}}_{1}}}}$, ${{k}_{{24}}} = {{{{{\hat {P}}}_{2}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{{{\hat {P}}}_{2}}} {{{{\hat {P}}}_{4}}}}} \right. \kern-0em} {{{{\hat {P}}}_{4}}}}$ для объекта сравнения;

– механическое совмещение геометрической оси АС с направлением на контрольный источник сигнала;

– отклонение геометрической оси АС по азимуту и углу места на ширину ДН от ранее установленного направления;

– отработка рассогласований контурами слежения, оценивание $\Delta {\text{РС}}{{{\text{Н}}}_{{{\text{рм}}}}}$ и $\Delta {\text{РС}}{{{\text{Н}}}_{{\text{и}}}}$;

– вычисление I;

– десятикратное повторение приведенных выше операций и вычисление усредненного значения I.

Параметры источника контрольного сигнала выбиралась таким образом, чтобы отношение сигнал/шум в каналах с сигналом составляло 13 дБ, а в построенных усредненных периодограммах выполнялись заданные при постановке задачи условия по числу каналов с сигналом и шумом.

По результатам проведенных измерений полученное значение выбранного показателя качества по азимутальной и угломестной координате не превысило 12%, что, по-видимому, явилось той ценой, которую пришлось заплатить за отказ от использования источника контрольного сигнала.

Это позволило определить область определения разработанного метода – т.е. системы слежения за динамическими объектами, в которых требование к отсутствию источника контрольного сигнала доминирует над требованием к показателю точности определения ухода РСН и допускается незначительное ухудшение данного показателя при условии полного обеспечения первого требования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе предложенной методики выравнивания коэффициентов передачи в пеленгационных каналах получена возможность ценой незначительного (12%) ухудшения значения ухода РСН по сравнению с полученным значением в [3] обеспечить независимость системы слежения за ДО на базе совмещенной моноимпульсной АС от источника контрольного сигнала.

Характерной чертой разработанного метода является компенсация неидентичности коэффициентов передачи в пеленгационных каналах по результатам сравнения дисперсий шумов.

Областью применения разработанного метода являются системы слежения за ДО с повышенными требованиями к скрытности работы.