способ создания ответных помех

Формула изобретения

Способ создания ответных помех, включающий когерентный прием радиосигналов на заданной частоте с помощью антенн, образующих антенную решетку, и многоканального приемника, обнаружение сигнала, формирование и излучение помехи из дальней волновой зоны антенной решетки в моменты обнаружения сигнала, отличающийся тем, что принимаемые радиосигналы в моменты излучения помехи фазируют с компенсацией набега фаз от места ее излучения до антенн, фазированные радиосигналы усредняют по совокупности антенн, усредненный радиосигнал фазируют, восстанавливая скомпенсированные набеги фаз антенн, и вычитают из соответствующего принимаемого радиосигнала в моменты излучения помехи, образованные разностные радиосигналы, а в моменты отсутствия излучения помехи - принимаемые радиосигналы, детектируют и усредняют по совокупности антенн, и обнаружение сигнала выполняют сравнением с порогом обнаружения усредненных результатов детектирования.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для подавления линий связи и радиоуправления, в частности минно-взрывными устройствами.

Ответная помеха, в соответствии со своим названием, создается в ответ на появление сигналов на заданной частоте. Обнаружение сигналов в отсутствии помехи не вызывает принципиальных сложностей. Однако во время постановки помехи сигналы ею маскируются, затрудняется фиксация последующих изменений электромагнитной обстановки на контролируемой частоте, помеха излучается непрерывно, что приводит к нерациональному расходу помехового ресурса в паузах радиопередач.

Одним из вариантов разрешения противоречия между эффективностью подавления и привлекаемым для его обеспечения помеховым ресурсом является циклическое, поочередное выполнение процедур контроля и подавления.

Так, известен способ подавления радиолиний, включающий периодический контроль наличия излучения с последовательным приемом радиосигналов на заданной частоте, их обнаружением и измерением параметров, последующее формирование и излучение помехи при обнаружении сигнала по циклограмме, включающей режим подавления и режим контроля при выключенной помехе, причем длительность циклограммы значительно меньше длительности сигнала радиолинии. [1. Патент на изобретение РФ № 2283540, кл. H04K 3/00, 2006].

Последовательный характер выполнения основных операций способа, пропуски в подавлении в моменты контроля, сложность, а в большей части и невозможность синхронизации цикла «контроль - подавление», с трафиком радиосетей определяет основной его недостаток - невозможность подавления кратковременных передач [1].

Другой путь разрешения противоречия «эффективность подавления - помеховый ресурс» состоит в обеспечении одновременности приема сигналов и излучения помехи.

Наиболее близким к предлагаемому способу по технической сущности является способ создания ответных помех, включающий когерентный прием радиосигналов с помощью антенной решетки и многоканального приемника, определение углового спектра принятых радиосигналов, значения квадрата его модуля с направления передатчика радиолинии, максимального значения квадрата модуля и разности этих значений, сравнением которой с порогом судят о наличии излучения передатчика радиолинии, формирование и излучение помехи при обнаружении излучения, при этом угловой спектр определяют с учетом места излучения помехи, прием радиосигналов и излучение помехи осуществляют одновременно, а помеху излучают с направления отличного от направления на передатчик радиолинии из дальней волновой зоны антенной решетки. [2. Патент на изобретение РФ № 2334360, кл H04K 3/00, 2008].

Способ-прототип ориентирован на создание ответных помех по излучению объекта, направление на которое задано и не совпадает с направлением на излучатель помехи. Подавление на контролируемой частоте всех появляющихся сигналов (блокада) возможно дублированием операций способа с некоторой, порядка одного градуса, дискретностью задания направления на объекты, однако это приводит к практически неприемлемому увеличению числа операций над сигналами. В силу ограничений способ не может быть использован и для подавления объектов, расположенных в направлении и вблизи направления излучателя помех. Таким образом, основной недостаток способа-прототипа состоит в ограничении области его применения. Другой существенный недостаток связан со значительным временем реакции на изменение электромагнитной обстановки (реакции на моменты начала/окончания излучений). Этот недостаток обусловлен временными затратами на определение углового спектра принятых радиосигналов, особенно в случае двухмерного по пеленгу и углу места его определения, когда количество составляющих углового спектра достигает нескольких десятков тысяч.

Задачей данного изобретения является расширение области применения известного способа на случай сигналов, приходящих с произвольного направления, и уменьшение времени реакции на изменение электромагнитной обстановки.

Поставленная задача и технический результат достигается за счет того, что в известном способе создания ответных помех, включающем когерентный прием радиосигналов на заданной частоте с помощью антенн, образующих антенную решетку, и многоканального приемника, обнаружение сигнала по принятым радиосигналам, формирование и излучение помехи из дальней волновой зоны антенной решетки в моменты обнаружения сигнала, согласно изобретению, дополнительно, принимаемый каждой антенной радиосигнал в моменты излучения помехи фазируют с компенсацией набега фаз от места ее излучения до антенны, фазированные радиосигналы усредняют по совокупности антенн, усредненный радиосигнал фазируют, восстанавливая скомпенсированный набег фаз, и вычитают из принимаемого антенной радиосигнала, образованные разностные радиосигналы детектируют и усредняют по совокупности антенн, а в моменты отсутствия излучения помехи - детектируют и усредняют по совокупности антенн, и обнаружение сигнала выполняют сравнением с порогом обнаружения усредненных результатов детектирования.

Предложенный способ отличается от известного наличием новых действий над радиосигналами, условиями и порядком их выполнения, а именно:

в моменты отсутствия излучения помехи:

- принимаемый каждой антенной радиосигнал детектируют и усредняют по совокупности антенн,

- в моменты излучения помехи:

- принимаемый каждой антенной радиосигнал фазируют с компенсацией набега фаз от места излучения помехи до антенны,

- фазированные радиосигналы усредняют по совокупности антенн,

- усредненный радиосигнал фазируют, восстанавливая скомпенсированный набег фаз,

- и вычитают из принимаемого антенной радиосигнала,

- образованные разностные радиосигналы детектируют

- и усредняют по совокупности антенн.

Кроме того, обнаружение сигнала выполняют сравнением с порогом обнаружения усредненных результатов детектирования.

Следует подчеркнуть принципиальное отличие: действия над радиосигналами, условия и порядок их выполнения принципиально различны в моменты излучения помехи и в моменты ее отсутствия (выключения).

При изучении других известных технических решений в данной области техники указанная совокупность признаков, отличающая изобретение от ближайшего аналога, не выявлена.

Для решения поставленной технической задачи изменены, относительно способа-прототипа, решающая статистика обнаружения (результаты усреднения продетектированных радиосигналов), а также операции и порядок компенсации помехи: посредством образования разностных радиосигналов. Помеховую составляющую принятых радиосигналов определяют в два этапа. На первом этапе помеху пространственно фильтруют с привязкой к центру антенной решетки, для чего принимаемые радиосигналы фазируют с компенсацией набегов фаз, зависящих от взаимного положения антенн решетки и излучателя помехи. Начальные фазы помехи всех антенн решетки выравниваются, что позволяет фазированные радиосигналы когерентно суммировать (усреднять по совокупности антенн). На втором этапе отфильтрованную помеху (усредненный радиосигнал) фазируют в обратном направлении, восстанавливая скомпенсированный набег фаз, то есть изменяют ее фазу на величину, задействованную на первом этапе, но с изменением знака. В результате для каждой антенны получают колебание в виде суммы чисто помеховой и сигнальной составляющей, что и позволяет компенсировать помеху вычитанием этого усредненного фазированного радиосигнала из принятого радиосигнала. При этом информация о сторонних источниках (объектах подавления), подконтрольно видоизменяясь, сохраняется. Результаты последующего детектирования разностных радиосигналов и усреднения результатов детектирования сравнительно слабо зависят от направления объекта, что позволяет по этим результатам обнаруживать сигналы. Существенно, что при этом не требуется непосредственного определения углового спектра, как в способе-прототипе. Максимум модуля углового спектра определяют, используя точечную оценку его предела в приближении высокого отношения сигнал/шум, путем детектирования и усреднения. Поэтому предложенная совокупность операций по определению решающих статистик обнаружения в сочетании с операциями по компенсации помехи характеризуется несравнимо меньшими (пропорционально числу точек углового спектра) затратами времени на обработку радиосигналов, чем в способе-прототипе.

Принципиальным в предлагаемом способе является различие обработки при излучении помехи и ее выключении. Обнаружение сигнала возможно по единой схеме, с постоянной компенсацией излучений с направления помехи. Однако в этом случае были бы скомпенсированы и сигналы объекта с направления помехи даже в случае отсутствия излучения помехи, следовательно, такие особые объекты были бы не обнаружены и не подавленны, что в предлагаемом решении исключается.

Таким образом, предложенное изменение решающей статистики обнаружения, а также операций и порядка компенсации помехи, различие обработки в моменты излучения помехи и ее отсутствия, в соответствии с предложенными новыми действиями над радиосигналами, условиями и порядком их выполнения, позволяет расширить область применения известного способа на случай сигналов, приходящих с произвольного направления, и уменьшить время реакции на изменение электромагнитной обстановки.

Указанные преимущества, а также особенности настоящего изобретения поясняются вариантом его выполнения со ссылками на прилагаемые фигуры.

Фиг.1 изображает структурную схему станции ответных помех; фиг.2 - зависимость коэффициента ослабления от направления источника излучения; фиг.3 - иллюстрация особенностей подавления радиосети с временным разделением каналов.

Поскольку заявленный способ может быть реализован при использовании соответствующей станции ответных помех, то далее описывается характерный состав функциональных элементов такой станции.

Станция ответных помех (фиг.1), реализующая предложенный способ, содержит пункт приема 1, включающий антенны 2.1-2.N, образующие антенную решетку 3, радиоприемное устройство 4, каналы обработки 5.1-5.N, каждый из которых содержит два фазовращателя 6.1, 6.2, ключ 7, устройство вычитания 8 и детектор 9, два сумматора 10.1, 10.2, пороговый элемент 11 и линию задержки 12, и передатчик помех 13.

В пункте приема 1 антенны 2.1-2.N, образующие антенную решетку 3, подключены соответственно к входам 1-N радиоприемного устройства 4 и через его выходы 1-N к первым входам каналов обработки 5.1-5.N. В каждом канале обработки фазовращатель 6.2 через первый вход ключа 7, второй вход устройства вычитания 8 и детектор 9 соединены последовательно. Первым входом канала обработки является первый вход устройства вычитания 8 и вход фазовращателя 6.1, вторым входом - вход фазовращателя 6.2, третьим входом - второй вход ключа 7, первым выходом канала обработки является выход фазовращателя 6.1, вторым выходом - выход детектора 9. Первые выходы каналов обработки 5.1-5.N подключены соответственно к входам 1-N сумматора 10.1, выход которого соединен со вторыми входами каналов обработки 5.1-5.N, третьи входы которых подключены к выходу линии задержки 12, а вторые выходы - к входам 1-N второго сумматора 10.2, выход которого подключен к входу порогового элемента 11 и через него к входам линии задержки 12 и передатчика помех 13.

Прием радиосигналов на пункте приема 1 выполняют с помощью антенн 2.1-2.N, образующих кольцевую эквидистантную антенную решетку 3, и радиоприемного устройства 4.

Антенная решетка 3 содержит N 2 антенн, когда объекты расположены на плоскости, и N 3 - в пространстве. Антенны нумеруются числами натурального ряда n=1, , N, при этом антенна с номером n=1 ориентирована на Север, нумерация других антенн осуществляется в порядке возрастания номеров по часовой стрелке, как и отсчет углов прихода радиоволн.

Радиоприемное устройство 4 многоканальное, каналы приема идентичные, их число равно числу антенн. В случае преобразования на промежуточную частоту гетеродинные напряжения в каналах приема должны формироваться общими генераторами для обеспечения когерентности приема, то есть сохранения фазовых соотношений между сигналами антенн.

Сдвиг фаз в фазовращателях фиксированный, зависит от направления передатчика помех 14, устанавливается в фазовращателе 6.1, исходя из обеспечения компенсации набегов фаз радиосигналов до места излучения помехи:

,

где R - радиус решетки, - длина волны излучения, ₁ - направление из центра антенной решетки на передатчик помех, =3,14

В фазовращателе 6.2. сдвиг фаз противоположен по знаку сдвигу фаз фазовращателя 6.1, то есть равен - _n.

Детектор 9 линейного типа, обеспечивает выделение огибающей радиосигнала путем известного [3. Тихонов В.И. Статистическая радиотехника. М., Сов. радио., с 453, 440, 459] квадратурного преобразования:

,

где s_n(t) - входной радиосигнал детектора в момент времени t, f - частота радиосигнала, i - мнимая единица.

Постоянная детектирования T (период контроля) обратно пропорциональна полосе частот подавляемого радиоканала.

Линия задержки 12 обеспечивает согласование момента подачи сигнала управления на ключи 7 каналов обработки 5.1-5.N, задерживая его на время включения/выключения передатчика помех 13.

Сумматоры 10.1, 10.2 многовходовые, с числом входов равным числу антенн.

Передатчик помех 13 дистанционно-управляемый, удален от пункта приема, на расстояние не блокирования радиоприемного устройства (порядка сотни метров). Управление передатчиком помех осуществляют с пункта приема 1 сигналом с выхода порогового элемента 11, например, по линии проводной или волоконно-оптической связи. Время излучения помехи с момента включения не менее периода контроля.

Принцип последующего функционирования станции ответных помех, в которой реализуется предложенный способ, состоит в следующем.

В пункте приема 1 радиоизлучения принимают (верхняя пунктирная стрелка на фиг.1) с помощью N антенн 2.1-2.N, образующих антенную решетку 3, и радиоприемного устройства 4. Принятые радиосигналы с выходов 1-N радиоприемного устройства 4 подают на первые входы каналов обработки 5.1-5.N.

Первоначально помеху не излучают, принятый n-ой антенной (n=1, 2, , N) и преобразованный в радиоприемном устройстве радиосигнал в момент времени t представляет собой или только шум _n(t), в отсутствии излучения объекта, или смесь сигнала и шума:

где , f - комплексная огибающая и частота принятого радиосигнала, - набег фаз сигнала n-ой антенны в направлении ₀ источника излучения, R - радиус решетки, - длина волны излучения, i - мнимая единица, =3,14 , Re(·) - реальная часть величины, заключенной в скобки.

Оптимальное обнаружение таких сигналов заключается [5. Репин В.Г., Тартаковский Г.П. Статистический синтез при априорной неопределенности и адаптация информационных систем. М.: Сов. радио, 1977, с.383-384] в их преобразовании в угловой спектр

определении максимума модуля спектра по возможным углам прихода радиоволн - и сравнении величины максимума с порогом обнаружения h:

Комплексная огибающая принятых сигналов определяется путем квадратурного преобразования

где T - постоянная детектирования (период контроля).

Раскроем модуль углового спектра в формуле (3), получим

Звездочкой * обозначена операция комплексного сопряжения. При выводе формулы (5) учтено, что максимум суммы не превышает суммы максимумов слагаемых, таким образом приближение является пределом оценки значения максимума модуля углового спектра, это приближение тем точнее, чем выше отношение сигнал/шум.

Применение формулы (5) позволяет определять максимум углового спектра, не получая все его значения, а выполняя точечную оценку его предела, путем линейного детектирования принимаемых радиосигналов (операция ) и усреднения по совокупности антенн (суммирование по и и нормировка на общее число антенн 1/N). Таким образом, правило обнаружения (3) в предлагаемом способе модифицируется в следующее

Величину порога обнаружения устанавливают, исходя из заданной F вероятности ложных тревог, учитывая следующее. В отсутствии сигнала огибающая принятого радиосигнала распределена по закону Релея. При усреднении по совокупности антенн решающая статистика (t) нормализуется, а вероятность ложной тревоги, как вероятность превышения решающей статистикой нормированного порога , где ₀ - среднее квадратическое отклонение шума, равна

где - интеграл вероятности.

Тогда нормированный порог обнаружения определяют, как корень уравнения (7), а абсолютное значение порога обнаружения равно .

В моменты отсутствия излучения помехи процесс обнаружения сигналов в станции ответных помех фиг.1 происходит, согласно правилу (6), следующим образом. В канале обработки 5.1 принимаемый антенной 2.1 радиосигнал поступает на первый вход устройства вычитания 8. В данный момент, а также всегда при не обнаружении сигнала в предшествующий момент времени ключ 7, управляемый по второму входу сигналом порогового элемента 11 через линию задержки 12, заперт. На второй вход устройства вычитания 8 поступает нулевой уровень, принятый радиосигнал подают на детектор 9 без всяких изменений, где его детектируют с получением огибающей и подают со второго выхода канала обработки 5.1 на первый вход сумматора 10.2. Аналогичную обработку других принятых радиосигналов параллельно выполняют в других каналах обработки. Результаты детектирования усредняют в сумматоре 10.2 по совокупности антенн с получением решающей статистики (t) и подают на пороговый элемент 11. Здесь усредненные результаты детектирования (решающую статистику) сравнивают с порогом h, при превышении которого принимают решение о наличии сигнала и включают на излучение передатчик помех 13, иначе продолжают процесс приема-обработки, то есть принимаемый каждой антенной радиосигнал детектируют, усредняют по совокупности антенн, сравнивают усредненные результаты детектирования с порогом обнаружения. Для сокращения избыточности обработки, обусловленной корреляцией огибающей, очередной прием радиосигналов целесообразно начать в момент времени t'=t+T и в последующем выполнять периодически с периодом T.

В моменты обнаружения сигнала, по сигналу порогового элемента 11 с помощью передатчика помех 13 в течение установленного времени формируют и излучают помеху (пунктирные стрелки от передатчика на фиг.1).

В моменты излучения помехи, принимаемые радиосигналы содержат помеховую составляющую

где , ₁ - комплексная огибающая помехи и направление на место ее излучения.

Для компенсации помеховой составляющей, помеху в пункте приема 1 пространственно фильтруют, для чего принимаемый каждой антенной радиосигнал фазируют с компенсацией набега фаз от места излучения помехи до антенны. Для этого используют фазовращатели, в частности, в канале обработки 5.1 - фазовращатель 6.1. При прохождении радиосигналов через фазовращатели со сдвигом фаз равным _n=- _n( ₁) начальные фазы помехи выравниваются

В формуле (9) шумы приема для упрощения записи исключены. Фазированные радиосигналы (9) усредняют по совокупности антенн в сумматоре 10.1 с образованием усредненного радиосигнала

Затем усредненный радиосигнал (10) фазируют с помощью фазовращателей 6.2, восстанавливая скомпенсированный набег фаз, то есть, изменяя фазу входных сигналов на + _n( ₁), тем самым получают компенсационный сигнал

Через открытый в данный момент ключ 7 компенсационный сигнал (11) подают на второй вход устройства вычитания 8 и вычитают из принимаемого антенной радиосигнала с образованием разностного радиосигнала:

Согласно формуле (12) разностные сигналы уже не содержат составляющей помехи, дальнейшая их обработка включает линейное детектирование в детекторе 9, усреднение по совокупности антенн в сумматоре 10.2 и сравнение усредненных результатов детектирования в пороговом элементе 11 с порогом обнаружения.

Излучение помехи и одновременно прием-обработку радиосигналов продолжают в течение всего времени излучения сигнала объектом (и его обнаружения), после чего (окончания сигнала или его не обнаружения) излучение помехи прекращают, а обработку принятых радиосигналов выполняют с учетом отсутствия помехи вплоть до момента очередного обнаружения сигнала. Описанный процесс циклически повторяется.

Особенность результата обработки радиосигналов, принятых в момент излучения помехи, состоит в том, что решающая статистика обнаружения зависит от взаимного углового положения передатчика помех и объекта. Действительно, определяя модуль (операция детектирования) разностного радиосигнала (12) и усредняя модули по совокупности антенн, получим

где - коэффициент ослабления.

На фиг.2 показано изменение коэффициента ослабления от направления источника излучения. Результаты даны для антенной решетки из N=8 антенн, R/ =1,37, направление передатчика помех 0°. В большей части направлений объекта изменение коэффициента ослабления не превышает 30% от максимального значения, что не препятствует эффективному обнаружению сигналов. Однако в направлении объекта, совпадающем с направлением передатчика помех, происходит резкое, в пределе до нуля, уменьшение коэффициента ослабления, такие объекты обнаруживаться при одновременном излучении помехи не будут.

Вместе с тем, в моменты отсутствия излучения помехи, в соответствии с предложенными операциями над радиосигналами, нет препятствий эффективному обнаружению сигналов.

По причине последовательного циклического перехода от режима излучения помехи (и не обнаружения сигнала) к режиму выключения помехи (и обнаружения сигнала) возникает эффект череспериодного подавления. То есть для объектов в направлении передатчика помех, подавление будет происходить периодически, при времени излучения помехи равном периоду контроля - в течение 50% времени их выхода в эфир. Уменьшение скважности помехи в этом случае может быть достигнуто увеличением времени излучения помехи в моменты обнаружения сигнала до величины, порядка, двух-трех периодов контроля.

При подавлении совокупности частот операции способа выполняются параллельно и одновременно, например, с применением в приемных каналах преобразования Фурье.

Основные особенности подавления радиосети с временным разделением каналов, предложенным способом, иллюстрируются фиг.3. Параметры антенной решетки соответствуют приведенным ранее. Направление на передатчик помех из центра антенной решетки составляет - 90°, уровень принимаемого от передатчика сигнала 60 дБ относительно уровня (СКО) шума, шкала времени дана в единицах периода контроля. Значение порога обнаружения установлено , что соответствует вероятности ложной тревоги F=1,35·10 ^-3. Время излучения помехи в моменты обнаружения сигнала установлено равным периоду контроля. Имитировалась работа радиосети, состоящей из 5 корреспондентов. Направление на передатчики радиосети изменяется в соответствии с очередностью их выхода в эфир, как это показано на фиг.3а. Направление на один из передатчиков, активного в окрестности момента времени t=800, совпадает с направлением передатчика помех. Принимаемые радиосигналы флуктуирующие (фиг.3б), нулевой уровень соответствует паузе излучений.

На фиг.3в показан сигнал U(t) с выхода порогового элемента, единичный уровень

соответствует обнаружению сигнала (соответственно, излучению помехи), нулевой - не обнаружению (прекращению излучения помехи). Отметим следующие основные особенности. В области t=400 сигнал объекта имеет сравнительно низкий, около 10 дБ, уровень (фиг.3б), что вызывает эпизодические пропуски его обнаружения и подавления. В районе t=700 наблюдаются два случая ложного обнаружения. При работе объекта, направление на который совпадает с направлением передатчика помех t=800 (напомним, что в способе-прототипе принципиально «помеху излучают с направления отличного от направления на передатчик радиолинии»), происходит череспериодное подавление. На других не указанных интервалах времени, в соответствии с фиг.3в, происходит синхронное подавление, то есть либо подавление появляющихся сигналов, либо выключение помехи в их отсутствии, соответственно, в паузах передач экономится помеховый ресурс.

Приведенные результаты показывают возможность синхронного подавления излучений, приходящих с произвольного направления, в том числе, вследствие установленного эффекта череспериодного подавления, с направления совпадающего с направлением излучения помехи. Существенная особенность предлагаемого способа относительно способа-прототипа состоит также в исключении трудоемкой операции определения углового спектра принятых радиосигналов, это обеспечивает уменьшение времени реакции на изменение электромагнитной обстановки на два-четыре порядка, пропорционально числу точек расчета углового спектра, достигающему сотен и десятков тысяч при одно- и двухмерном определении углового спектра.

Таким образом, положительный эффект изобретения выражается в повышении эффективности подавления радиолиний с кратковременными излучениями, совокупности радиолиний с различающимися длительностями передач при одновременном снижении затрат помехового ресурса. Эффект достигается за счет расширения области применения известного способа на случай сигналов, приходящих с произвольного направления, уменьшения времени реакции на изменение электромагнитной обстановки, исключения излучения помехи в паузах между сообщениями.