способ пеленгации радиосигналов и многоканальный пеленгатор

Формула изобретения

1. Способ пеленгации радиосигналов, заключающийся в приеме радиосигналов антенной системой, преобразовании сигналов многоканальным приемником с общим гетеродином для всех каналов, получении комплексных спектральных характеристик сигналов каждого канала, отличающийся тем, что антенную систему формируют из трех идентичных приемных элементов, расположенных по периметру кольца таким образом, что расстояние между соседними элементами меньше половины длины кратчайшей радиоволны рабочего диапазона, комплексные спектральные характеристики сигналов каждого канала получают одновременно для всех каналов, для каждого канала, в котором обнаружен сигнал, производят операцию свертки, по вычисленным сверткам определяют разности фаз между сигналами, принятыми элементами антенной системы, по разностям фаз оценивают азимуты принятых сигналов, полученную оценку используют для определения азимутов принятых сигналов по положению максимума суммы квадратов модулей спектральных составляющих комплексных угловых спектров, характеризующих распределение интенсивности принятого сигнала по возможным направлениям прихода.

2. Многоканальный пеленгатор, содержащий антенную систему, приемник с общим гетеродином для всех каналов, аналого-цифровой преобразователь, блок дискретного преобразования Фурье, вычислитель пеленгов и генератор синхроимпульсов, отличающийся тем, что антенная система выполнена трехэлементной эквидистантной кольцевой решеткой с идентичными элементами, расположенными по периметру кольца таким образом, что расстояние между соседними элементами меньше половины длины кратчайшей радиоволны рабочего диапазона, при этом приемник с общим гетеродином для всех каналов, аналого-цифровой преобразователь и блок дискретного преобразования Фурье выполнены трехканальными, выходы антенных элементов соединены с входами трехканального приемника с общим гетеродином для всех каналов, выходы трехканального приемника с общим гетеродином для всех каналов через трехканальный аналого-цифровой преобразователь соединены с входами трехканального блока дискретного преобразования Фурье, выходы которого соединены с входами вычислителя взаимных спектров и входами вычислителя суммарно-разностных спектров, выходы вычислителя взаимных спектров через запоминающее устройство компонент взаимных спектров соединены с входами вычислителя пеленгов, выходы вычислителя суммарно-разностных спектров через запоминающее устройство характеристик суммарно-разностных спектров соединены с входами сумматора суммарно-разностных спектров, выход вычислителя пеленгов и выход сумматора суммарно-разностных спектров соединены с входами вычислителя уточненных значений пеленгов, выход которого является выходом устройства, при этом синхровыход генератора синхроимпульсов подсоединен к синхровходам аналого-цифрового преобразователя, блока дискретного преобразования Фурье, вычислителя взаимных спектров, вычислителя суммарно-разностных спектров, вычислителя пеленгов, вычислителя уточненных значений пеленгов, а также запоминающего устройства компонент взаимных спектров, запоминающего устройства характеристик суммарно-разностных спектров и сумматора суммарно-разностных спектров.

3. Пеленгатор по п.2, отличающийся тем, что вычислитель пеленга выполнен из соединенных последовательно сумматора взаимных спектров, вычислителя аргументов и вычислителя начальных значений азимутов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах обнаружения и пеленгования сигналов источников радиоизлучения.

Известен способ пеленгации радиосигналов, включающий прием радиосигналов с помощью трех ненаправленных антенн, образующих кольцевую эквидистантную решетку, измерение разностей фаз между сигналами антенн для всех баз, образованных опорной и другими антеннами решетки, и определение по ним первичной оценки пеленга на источник, дополнительное преобразование сигналов антенн в суммарно-разностные сигналы путем вычитания сигнала опорной антенны из сигналов других антенн, суммирование полученных разностей сигналов в первом канале и вычитание во втором, измерение комплексных амплитуд суммарно-разностных сигналов, которые преобразуют в комплексный угловой спектр, и оценивание пеленга на источник по положению максимума модуля комплексного углового спектра. (Заявка на изобретение №2003103657, кл. G 01 S 3/00, от 06.02.2003 г.) [1]

Недостатком способа является применимость для пеленгации только моногармонических сигналов.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ пеленгации радиосигналов, приведенный в патенте РФ №2096797, кл. G 01 S 3/14, 3/74, от 20.11.97, принятый за прототип.

Способ-прототип включает прием радиосигналов направленной антенной системой, преобразование сигналов многоканальным приемником, получение спектральных характеристик сигналов каждого канала, разбиение комплексных спектров на выбранные частотные поддиапазоны, сравнение для каждого частотного поддиапазона комплексных спектральных характеристик, по результату которого судят о значении пеленга.

Недостатком способа-прототипа является низкая точность пеленгования при существенном взаимном влиянии антенных элементов и влиянии антенной мачты.

Задача, решаемая изобретением, — повышение точности пеленгации. Технический результат для способа, который может быть получен при осуществлении изобретения, — повышение точности обработки информации о пеленге при существенном взаимном влиянии элементов и мачты антенны.

Поставленная задача решается тем, что в способе пеленгации радиосигналов, включающем прием радиосигналов направленной антенной системой, преобразование сигналов многоканальным приемником с общим гетеродином для всех каналов, получение спектральных характеристик сигналов каждого канала, выбор частотных поддиапазонов, занимаемых отдельными сигналами, сравнение комплексных спектральных характеристик, по результату которого судят о значении пеленга, согласно изобретению антенную систему формируют из трех идентичных элементов, образующих кольцевую эквидистантную решетку, спектральные характеристики сигналов каждого канала получают одновременно для всех каналов, первичные оценки азимутов определяют как арктангенсы отношений измеренных направляющих косинусов, азимуты сигналов уточняют по положениям максимумов сумм квадратов модулей комплексных угловых спектров.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. Сигналы от пеленгуемых источников радиоизлучения принимаются кольцевой трехэлементной антенной системой, состоящей из идентичных приемных антенных элементов, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга по периметру кольца таким образом, что расстояние между соседними элементами меньше половины длины кратчайшей радиоволны рабочего диапазона. В трехканальном приемнике принятые сигналы одновременно переносятся на промежуточную частоту. Сигналы промежуточной частоты преобразуют в цифровые сигналы, получая три последовательности отсчетов объемом N каждая. Дискретным преобразованием Фурье этих последовательностей получают три последовательности, характеризующие спектры сигналов пеленгуемых источников, объемом N каждая. Далее используют N/2 комплексных отсчетов (соответствующих положительным или отрицательным частотам). Спектр для k-го радиоканала соответствует сигналу от k-го источника. Значения центральных частот f _k радиоканалов в полосе анализа df и ширина радиоканала dF априорно известны. Полоса анализа df определяется принятой аппаратной реализацией. В полосе анализа df для всех трех каналов получают совокупности цифровых сигналов, соответствующие принятым значениям номеров радиоканалов k в которых обнаружены радиосигналы. Каждому из этих номеров соответствуют значения границ радиоканала, пересчитанные в номера компонент спектра с учетом полосы анализа df, объема выборок N и ширины радиоканала dF. Для каждого радиоканала, в котором обнаружен сигнал, производят операцию свертки:

где - отсчеты канальных спектров,

k - номер радиоканала с сигналом, 1<k<k_max,

n - текущий индекс суммирования компонент спектра (номер бина) k-го радиоканала,

i - номер элемента антенной решетки, i=0, 1, 2,

- остаток от деления числа х на число у.

По вычисленным сверткам определяют разности фаз и оценивают азимуты сигналов:

где - измеренные направляющие косинусы k-го радиосигнала,

где R - радиус решетки,

_k,i - разности фаз между сигналами, принятыми антенными элементами с номерами и i.

При последующей обработке используются суммарно-разностные канальные спектры

и первичная оценка азимута .

Здесь обозначены:

- комплексный спектр сигнала i-го канала k-го радиосигнала,

n - номер бина, занимаемого сигналом.

Амплитуда суммарно-разностных спектров не зависит от коэффициента взаимного влияния мачты, а взаимное влияние антенн отражается лишь в одинаковом масштабировании амплитуды на выходе каналов. Кроме того, шумы суммарно-разностных сигналов некоррелированы [1]. В этих условиях определить пеленг можно путем максимизации по возможным направлениям квадрата модуля комплексного углового спектра вида:

характеризующего распределение интенсивности принятого сигнала по возможным направлениям прихода.

и - диаграммы направленности суммарно-разностных сигналов,

где j - мнимая единица,

b - база антенной решетки,

_k - длина волны радиосигнала,

m - индекс суммирования,

n - номер бина сигнала.

Чтобы учесть информацию о пеленге, содержащуюся во всех бинах k-го радиосигнала, необходимо искать максимум суммы квадратов комплексных угловых спектров всех бинов сигнала:

Формулу (7) можно преобразовать следующим образом:

где

k - номер радиосигнала,

n - номер бина радиосигнала, суммирование производится по всем бинам k-го радиосигнала,

i=0,1.

Формулы (7) и (8) эквивалентны, однако предпочтительнее использование формулы (8), поскольку такой вид расчета sV _k() (в) позволяет запоминать суммы s0_k,i, s1_k,i , (9) путем накопления по реализациям i=01, М - количество реализации) вместо запоминания всех в случае нескольких последовательных измерений реализации сигнала с последующим усреднением, что существенно экономит объем запоминающих устройств и повышает скорость пеленгования.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является многоканальный пеленгатор, приведенный в патенте РФ №2096797, кл. G 01 S 3/14, 3/74, от 20.11.97, принятый за прототип.

Схема многоканального пеленгатора-прототипа представлена на фиг.1, где обозначено:

1 - антенная система;

2 - блок сканирования;

3 - приемник;

4, 5 - аналого-цифровые преобразователи;

6, 7 - блоки дискретного преобразования Фурье;

8 - вычислитель пеленгов;

9 - антенная решетка;

10 - ненаправленная антенна;

11 - генератор синхроимпульсов;

12, 13 - запоминающие устройства компонент спектров;

14 - вычислитель сверток;

15 - блок дискретного преобразования Фурье сверток;

16 - вычислитель аргумента компоненты углового спектра с наибольшим значением модуля.

Многоканальный пеленгатор-прототип содержит антенную систему 1, выполненную из антенной решетки 9 и ненаправленной антенны 10, связанную с блоком 2 сканирования, выполненным в виде коммутатора, приемник 3, выполненный с общим гетеродином и двумя каналами - опорным и сигнальным, выходы которого через аналого-цифровые преобразователи 4, 5 соединены с входами блоков 6 и 7 дискретного преобразования Фурье для сигнального и опорного каналов соответственно, выходы которых соединены с входами вычислителя 8 пеленга через запоминающие устройства 12, 13 компонент спектра для сигнального и опорного каналов соответственно. Сигнальный вход приемника 3 выполнен с возможностью последовательной коммутации посредством коммутатора 2 к выходам элементов антенной решетки 9, а его опорный вход подсоединен к выходу ненаправленной антенны 10. Синхровыход генератора 11 синхроимпульсов подсоединен к управляющему входу коммутатора 2 и к синхровходам аналого-цифровых преобразователей 4 и 5, блоков 6 и 7 дискретного преобразования Фурье и вычислителя 8 пеленга. Выходы блоков 6 и 7 для сигнального и опорного каналов соответственно соединены с входами вычислителя 8 пеленга через запоминающие устройства 12 и 13 компонент спектра. Вычислитель 8 пеленга состоит из вычислителя 14 сверток, блока 15 дискретного преобразования Фурье сверток, вычислителя 16 аргумента компоненты углового спектра с наибольшим значением модуля, соединенных последовательно. При этом синхровыход генератора 11 соединен с синхровходами вычислителя 14, блока 15 и вычислителя 16.

Недостатком известного устройства является неудовлетворительная точность пеленгования при существенном взаимном влиянии антенных элементов и влиянии антенной мачты.

Задача, решаемая изобретением, - повышение точности пеленгатора. Поставленная задача решается тем, что в многоканальном пеленгаторе, содержащем антенную систему, выполненную из антенной решетки и ненаправленной антенны, соединенную с блоком сканирования, приемник, выполненный с общим гетеродином и двумя каналами - опорным и сигнальным, причем сигнальный вход приемника выполнен с возможностью последовательной коммутации посредством коммутатора к выходам элементов антенной решетки, входы которого соединены с антенной системой, а выходы через аналого-цифровые преобразователи соединены с входами блоков преобразования Фурье, выходы которых через запоминающие устройства компонент спектров соединены с входами вычислителя пеленгов радиосигналов, а также генератор синхроимпульсов, синхровыход которого подсоединен к синхровходам аналого-цифровых преобразователей, блоков преобразования Фурье и вычислителя пеленга, согласно изобретению антенная решетка выполнена трехэлементной эквидистантной кольцевой с идентичными элементами, расположенными по периметру кольца таким образом, что расстояние между соседними элементами меньше половины длины кратчайшей радиоволны рабочего диапазона, исключены блок сканирования и запоминающее устройство компонент спектров, выполнены трехканальными приемник, аналого-цифровой преобразователь, блок преобразования Фурье, введены вычислитель взаимных спектров, вычислитель суммарно-разностных спектров, запоминающие устройства компонент взаимных спектров и характеристик суммарно-разностных спектров, сумматор суммарно-разностных спектров, вычислитель уточненных значений пеленгов. Входы приемника соединены с элементами антенны, а выходы - через аналого-цифровой преобразователь с входами блока преобразования Фурье, выходы которого соединены с входами вычислителя взаимных спектров и вычислителя суммарно-разностных спектров, выходы вычислителя взаимных спектров соединены через запоминающее устройство компонент взаимных спектров с входами вычислителя пеленгов, выходы вычислителя суммарно-разностных спектров соединены через запоминающее устройство характеристик суммарно-разностных спектров с входами сумматора суммарно-разностных спектров, выход вычислителя пеленга и выход сумматора суммарно-разностных спектров соединены с входами вычислителя уточненного значения пеленга, выход которого является выходом устройства, вычислитель пеленга выполнен из сумматора взаимных спектров, вычислителя аргументов и вычислителя начальных значений азимутов, соединенных последовательно, вычислитель уточненного значения пеленга выполнен из вычислителя квадрата модуля углового спектра, вычислителя максимума и вычислителя азимутов, вход вычислителя азимутов соединен с выходом вычислителя пеленгов, а выход - с входом вычислителя квадрата модуля углового спектра, другой вход которого соединен с выходом сумматора суммарно-разностных спектров, а выход - с входом вычислителя максимума, выход которого является выходом устройства, синхровыход генератора синхроимпульсов подсоединен к синхровходам аналого-цифрового преобразователя, блока преобразования Фурье, вычислителя взаимных спектров, вычислителя суммарно-разностных спектров, запоминающего устройства компонент взаимных спектров, запоминающего устройства характеристик суммарно-разностных спектров, вычислителя пеленгов, сумматора суммарно-разностных спектров, вычислителя уточненного значения пеленга.

За счет введения в пеленгатор вычислителя суммарно-разностных сигналов и вычислителя уточненного значения пеленга удается решить поставленную задачу с достижением технического результата.

Предлагаемое устройство представлено на фиг.2, где обозначено:

1.1, 1.2, 1.3 - антенные элементы;

2 - трехканальный приемник;

3 - генератор синхроимпульсов;

4 - аналого-цифровой преобразователь;

5 - блок дискретного преобразования Фурье;

6 - вычислитель взаимных спектров;

7 - вычислитель суммарно-разностных спектров;

8.1 - запоминающее устройство компонент взаимных спектров;

8.2 - запоминающее устройство характеристик суммарно-разностных спектров;

9 - вычислитель пеленгов;

10 - сумматор суммарно-разностных спектров;

11 - вычислитель уточненного значения пеленга;

12 - сумматор взаимных спектров;

13 - вычислитель аргументов;

14 - вычислитель начальных значений азимутов;

15 - вычислитель азимутов;

16 - вычислитель максимума;

17 - вычислитель квадрата модуля углового спектра.

Предлагаемое устройство содержит кольцевую плоскую антенную решетку с элементами 1.1, 1.2, 1.3, расположенными на одинаковом расстоянии друг от друга по периметру кольца таким образом, что расстояние между соседними элементами меньше половины длины кратчайшей радиоволны рабочего диапазона. Выходы антенных элементов 1.1, 1.2, 1.3 соединены с входами трехканального приемника 2 с общим гетеродином для всех каналов, выходы которого соединены через трехканальный аналого-цифровой преобразователь 4 с входами трехканального блока 5 дискретного преобразования Фурье, выходы которого соединены с входами вычислителя 6 взаимных спектров и входами вычислителя 7 суммарно-разностных спектров, выходы вычислителя 6 через запоминающее устройство 8.1 компонент взаимных спектров соединены с входами вычислителя 9 пеленгов. Выходы вычислителя 7 через запоминающее устройство 8.2 характеристик суммарно-разностных спектров соединены с входами сумматора 10 суммарно-разностных спектров. Выход вычислителя 9 и выход сумматора 10 соединены с входами вычислителя 11 уточненных значений пеленгов, выход которого является выходом устройства.

Вычислитель 9 пеленгов содержит соединенные последовательно сумматор 12 взаимных спектров, вычислитель 13 аргументов, вычислитель 14 начальных значений азимутов.

Вычислитель 11 уточненных значений пеленгов содержит вычислитель 15 азимутов, вход которого соединен с выходом вычислителя 9, а выход - с входом вычислителя 17 квадрата модуля углового спектра, другой вход которого соединен с выходом сумматора 10. Выход вычислителя 17 соединен с входом вычислителя 16 максимума, выход которого является выходом устройства.

Синхровыход генератора 3 синхроимпульсов подсоединен к синхровходам аналого-цифрового преобразователя 4, блока 5 преобразования Фурье, вычислителей 6, 7, 9, 11, запоминающих устройств 8.1, 8.2, сумматора 10.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. Сигналы от пеленгуемых источников радиоизлучения принимаются антенными элементами 1.1, 1.2, 1.3. В приемнике 2 радиосигналы переносятся на промежуточную частоту. Аналого-цифровой преобразователь 4 преобразует сигналы промежуточной частоты в цифровые сигналы, соответствующие радиосигналам. Полученные последовательности отсчетов с выходов аналого-цифрового преобразователя 4 поступают на входы блока 5 преобразования Фурье, на выходах которого получают цифровые сигналы, характеризующие спектры совокупностей сигналов от пеленгуемых источников в каналах. Значения центральных частот f_k радиоканалов в полосе анализа df и ширина радиоканала dF априорно известны. В вычислителе 6 получают взаимные спектры сигналов путем накопления по реализациям: где - взаимный спектр принятой реализации сигнала, М - количество реализаций, k1...k _max, k - номер радиоканала с сигналом, n - номер бина k-го радиосигнала, i - номер элемента антенной решетки, i=0, 1, 2. Накопленные в запоминающем устройстве 8.1 взаимные спектры передаются на входы вычислителя 9 пеленгов.

Устройство вычислителя 7 показано на фиг.3. В вычислителях 18.1 и 18.2 получают и соответственно. В вычислителях 19.1 и 19.2 получают суммарно-разностные спектры и соответственно. В умножителях 20.1, 20.2, 20.3 получают произведения соответственно, в вычислителе 20.4 - и i=0,1. В сумматорах 21.1, 21.2 вычисляют суммы для 1=0 и i=1 соответственно, в сумматоре 21.3 - , сумматоре 21.4 . В запоминающем устройстве 22 накапливают суммы s0_k,n,i , s1_k,n,i, по реализациям.

В сумматоре 12 взаимных спектров производится суммирование спектральных составляющих, принадлежащих одному сигналу, для всех радиосигналов: где k1...k _max, k - номер радиоканала с сигналом, n - номер бина сигнала, n_min(k)in _max(k), i - номер элемента антенной решетки, i=0, 1, 2. Полученные таким образом комплексные амплитуды энергий взаимодействия канальных радиосигналов передаются в вычислитель 13, где определяются их аргументы (i=0, 1, 2) для K радиосигналов. В вычислителе 14 полученные разности фаз суммируются с весами, зависящими от разностей координат соседних антенных элементов, и определяют К азимутов принятых радиосигналов согласно выражению (2).

Вариант выполнения вычислителя 14 показан на фиг.4, где цифрами обозначены:

23.1 - вычислитель косинусов;

23.2 - вычислитель синусов;

24.1, 24.2 - сумматоры;

25 - инвертор;

26 - вычислитель арктангенса.

В вычислителе 23.1 рассчитывают в вычислителе 23.2 рассчитывают i=0, 1, 2. В сумматорах 24.1 и 24.2 вычисляют и соответственно. В инверторе 25 умножают sS_k, на минус 1. В вычислителе 26 арктангенса определяют первичные оценки азимутов .

В сумматоре 10 рассчитываются суммы характеристик суммарно-разностных К радиосигналов s0_k,i, s1_k,i, i=0, 1 (9).

На вход вычислителя 11 поступают с выхода вычислителя 9 и s0_k,i, s1_k,i, i=0, 1 с выхода сумматора 10. В вычислителе 15 азимутов определяют значения азимутов, для которых должны быть вычислены значения квадрата модуля углового спектра. Например, вычислитель 15 выдает последовательность значений _k,i из окрестности первичной оценки Вариант исполнения такого вычислителя приведен в [1].

Для этих значений азимута в вычислителе 17 квадрата модуля углового спектра рассчитывают значения квадратов модулей комплексных угловых спектров (7), которые поступают на вход вычислителя 16 максимума, где оценивают пеленги по положению максимумов модуля углового спектра. Вариант исполнения вычислителя 16 приведен в [1].

Устройство вычислителя 17 показано на фиг.5, где цифрами обозначены:

29 - вычислитель компонент диаграмм направленности;

30 - вычислитель квадратов модулей диаграмм направленности и z;

31.1, 31.2, 31.3, 31.4, 31.5 - умножители;

32.1, 32.2, 32.3 - сумматоры;

33 - делитель.

На вход вычислителя 29 компонент диаграмм направленности поступает значение пеленга , для которого должно быть рассчитано значение комплексного углового спектра. С выходов вычислителя 29 выдаются значения реальных и мнимых частей диаграмм направленности суммарно-разностных сигналов и которые передаются на входы вычислителя 30 и умножителей 31.3, 31.4, 31.5. В вычислителе 30 вычисляются квадраты модулей диаграмм направленности i=0, 1 и знаменатель формулы (5) Значения квадратов модулей диаграмм направленности передаются на входы умножителей 31.1, 31.2, значение z - на вход делителя 33. В умножителях 31.1 и 32.2 рассчитывают произведения и соответственно, которые передаются на вход сумматора 32.2. Вычисленные в умножителях 31.3 и 31.4 произведения и суммируют в сумматоре 32.1, полученную сумму умножают на в умножителе 31.5 и передают результат на вход сумматора 32.2, где получают числитель формулы (8), который делят на z в делителе 33. Рассчитанное значение квадрата модуля углового спектра с выхода делителя 33 передают на вход вычислителя 16.

Устройство вычислителя 29 показано на фиг.6, где цифрами обозначены:

34.1, 34.2, 34.3 - вычислители синуса;

35.1, 35.2, 35.3 - вычислители косинуса;

36.1, 36.2 - умножители;

37 - вычитатель.

На вход вычислителей 34.1, 35.1 поступает значение азимута . В вычислителе 34.1 синуса получают sin, в вычислителе 35.1 косинуса - cos. Полученное в вычислителе 34.1 значение умножают на в умножителе 36.1. Полученное в вычислителе 34.2 значение умножают на в умножителе 36.2 В вычислителях 35.2, 35.3 косинусов получают значения и соответственно. В вычитателе 37 получают В вычислителях 34.2 и 34.3 синусов получают и соответственно.

Устройство вычислителя 30 показано на фиг.7, где цифрами обозначены:

38.1, 38.2, 38.3, 38.4 - умножители;

39.1, 39.2 - сумматоры.

В умножителях 38.1, 38.2 вычисляются соответственно , которые суммируют в сумматоре 39.1, получая . В умножителе 38.3 получают значение , которое передается на выход вычислителя 30 и на вход умножителя 38.4, где получают значение , которое суммируют с сумматоре 39.2, получая значение z.

Поскольку значения диаграмм направленностей суммарно-разностных сигналов и знаменателя формулы (4) z могут быть рассчитаны заранее для различных азимутов, то вычислители 29 и 30 могут быть заменены запоминающими устройствами.

Положительный эффект, достигаемый за счет реализации предлагаемого многоканального пеленгатора, - повышение точности пеленгования при сильном взаимном влиянии элементов антенны и влиянии опоры антенны.