Патент на изобретение №2341024

(54) СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ

(57) Реферат:

Способ обнаружения радиоэлектронных средств относится к области радиотехники и может быть использован для контроля за изменениями радиоэлектронной обстановки, выделения сигналов радиоэлектронных средств, начавших или прекративших излучение, и измерения их частот, направлений прихода сигналов и дальности до радиоэлектронных средств, находящихся в ближней зоне, при реализации его в средствах радиомониторинга. Технический результат – обеспечение обнаружения сигналов радиоэлектронных средств и определения их частотных, пространственных параметров и дальности до радиоэлектронных средств, находящихся в ближней зоне. Способ заключается в приеме сигналов плоской антенной решеткой, их усилении, перемножении и низкочастотной фильтрации выходного напряжения каждого антенного элемента с выходными напряжениями всех остальных антенных элементов и представлении результатов перемножения и фильтрации в виде корреляционной матрицы сигналов, задержке этих сигналов на время задержки _з, поэлементном вычитании сигналов текущей и задержанной матриц сигналов и представлении результатов вычитания в виде разностной корреляционной матрицы сигнала, которая является ненулевой матрицей в случае изменения количества излучающих радиоэлектронных средств за период времени, равный _з, и представляет собой корреляционную матрицу появившегося или исчезнувшего сигнала, определении по виду разностной корреляционной матрицы сигнала значений рабочей частоты и направления прихода сигнала радиоэлектронного средства, находящегося в дальней зоне, измерении полярности разностной корреляционной матрицы сигнала и определении по ее значению принадлежности сигнала к радиоэлектронным средствам, прекратившим или начавшим излучение, дополнительном сравнении уровней сигналов элементов разностной корреляционной матрицы, соответствующих функциям взаимной корреляции сигналов в соседних парах антенных элементов, и в случае их неравенства хотя бы для одной линейной антенной решетки многоэлементной антенной системы отнесении обнаруженного радиоэлектронного средства к ближней зоне и определении по виду разностной корреляционной матрицы сигнала значения рабочей частоты, направления прихода сигнала радиоэлектронного средства, излучение за период времени _з и дальности до этого радиоэлектронного средства. 11 ил.

Способ обнаружения радиоэлектронных средств относится к области радиотехники и может быть использован для контроля за изменениями радиоэлектронной обстановки, выделения сигналов радиоэлектронных средств, начавших или прекративших излучение, и измерения их частот, направлений прихода сигналов радиоэлектронных средств при реализации его в средствах радиомониторинга.

Совершенствование радиоэлектронных средств, предназначенных для съема (извлечения) и передачи информации и их широкое использование в разведывательных целях, представляют серьезную угрозу военной и экономической безопасности страны. В этой связи важнейшими задачами радиомониторинга являются контроль загрузки эфира, обнаружение и анализ новых излучений, определение местоположения их источников, оценка их опасности и ценности, выявление непреднамеренных или организованных каналов утечки информации, см., например, Рембовский A.M., Ашихмин А.В., Козьмин В.А. Радиомониторинг: задачи, методы, средства / под ред. A.M.Рембовского. – М.: Горячая линия – Телеком, 2006, стр.10-11.

В настоящее время известны следующие способы обнаружения радиоэлектронных средств, реализованные методами поиска, описанные: Борисов В.И., Зинчук В.М. Помехозащищенность систем радиосвязи. Вероятностно-временной подход. Радио и связь, 1999, стр.47-56, 62-71:

параллельный (многоканальный);

последовательный (одноканальный);

параллельно-последовательный поиск (комбинированный).

При параллельном поиске диапазон поиска f разделяется на ряд элементарных каналов (поддиапазонов) f_Э шириной . Обнаружение осуществляется с использованием N неперестраеваемых радиоприемников (или N-канального радиоприемника).

При этом в каждом канале одновременно производится анализ входного воздействия с целью установления факта наличия или отсутствия сигнала на входе радиоприемника. Недостатки алгоритма параллельного поиска: аппаратурная избыточность поста поиска, высокая его стоимость.

При одноканальном (последовательном) поиске обзор всего диапазона поиска производится путем последовательной перестройки одного радиоприемника с начала и до конца диапазона и анализа в ходе перестройки входного воздействия с целью установления факта наличия или отсутствия сигнала на входе радиоприемника. Последовательный поиск прост и экономичен в реализации, однако, имеет существенно большее среднее время поиска, нежели параллельный поиск. При небольшой скорости перестройки велика вероятность пропуска (необнаружения) сигналов малой длительности. Увеличение скорости перестройки приводит к снижению чувствительности радиоприемника и динамическим ошибкам измерения параметров сигнала (частоты, амплитуды и др.).

Комбинированный алгоритм поиска обеспечивает возможность сочетания достоинств параллельного и последовательного способов поиска и достижении компромисса между требуемой эффективностью и стоимостью, однако полностью не исключает недостатков, присущих описанным выше способам: избыточность аппаратуры сохраняется, а время поиска для решения некоторых задач радиоразведки остается неприемлемо большим.

Известны также способы обнаружения радиоэлектронных средств, основанные на использовании методов пространственной обработки сигналов, реализуемых многоканальными устройствами, в составе которых применяются многоэлементные антенные системы (АС), см., например, Paula A., Kaula Т. Eigenstmcture methods for direction of arrival estimation in the presence of unknown noise fields. «/IEEE Trans.» 1986. V.ASSP-34, C.13-20, патент РФ на изобретение №2292650, МПК Н04К 3/00 (2006.01), которые за счет реализации беспоискового обнаружения сигналов и пеленгования их источников обеспечивают существенное сокращение временных затрат на обнаружение радиоэлектронных средств, начавших или прекративших излучение по сравнению с вышеуказанными «классическими» способами обнаружения.

Наиболее близким из известных способов обнаружения радиоэлектронных средств является «Способ обнаружения радиоэлектронных средств» (Россия, патент на изобретение №2292650, МПК Н04К 3/00 (2006.01), заключающийся в приеме сигналов плоской антенной решеткой, входящей в состав многоэлементной антенной системы, их усилении, перемножении и низкочастотной фильтрации выходного напряжения каждого антенного элемента с выходными напряжениями всех остальных антенных элементов и представлении результатов перемножения и фильтрации в виде корреляционной матрицы сигналов, задержке этих сигналов на время задержки _з, значение которого обеспечивает выполнение условия, что вероятность изменения числа воздействующих на многоэлементную антенную систему за время _з сигналов более чем на один пренебрежимо мала, поэлементном вычитании сигналов текущей и задержанной матриц сигналов и представлении результатов вычитания в виде разностной корреляционной матрицы сигнала, которая является ненулевой матрицей в случае изменения количества излучающих радиоэлектронных средств за период времени, равный _з, и представляет собой корреляционную матрицу появившегося или исчезнувшего сигнала, определении по виду разностной корреляционной матрицы сигнала значений рабочей частоты и направления прихода сигнала радиоэлектронного средства, находящегося в дальней зоне, прекратившего или начавшего излучение за этот период времени, измерении полярности разностной корреляционной матрицы сигнала и определении по ее значению принадлежности сигнала к радиоэлектронным средствам, прекратившим или начавшим излучение.

Данный способ обнаружения радиоэлектронных средств основан на извлечении информации, заложенной в набеге (сдвиге) фазы выходных напряжений антенных элементов (АЭ) многоэлементной антенной системы, определяемом разностью хода электромагнитной волны до АЭ. Недостаток данного способа заключается в том, что он позволяет эффективно обнаруживать и определять частотные и пространственные параметры только радиоэлектронных средств, находящихся на достаточно большом удалении, то есть когда фронт электромагнитной волны от этих РЭС можно считать плоским, см. фиг.2. В так называемой ближней зоне излучения, в которой сферичностью волны пренебречь нельзя, см. фиг.3, этот способ неприменим вследствие больших ошибок определения частотных и пространственных параметров обнаруживаемых РЭС. В ближней зоне фазовые сдвиги сигнала на выходах антенных элементов зависят от направления на излучающее РЭС и дальности до него (на фиг.2 и фиг.3 для упрощения рисунка угол места принят равным нулю).

Границы ближней зоны простираются до расстояния D=2L²/, где L – максимальный, линейный размер апертуры антенны, – длина волны, см., например, Справочник по радиолокации. Под ред. М.Сколника. Нью-Йорк, 1970. Пер. с англ. (в четырех томах) под общ. ред. К Н.Трофимова, т.2 Радиолокационные антенные устройства. Под ред. П.И.Дудника. – М.: Сов. радио.. 1977, с.59. Данная формула, а также фиг.3 показывают, что граница ближней зоны не является фиксированной и зависит от длины волны и расстояния между крайними антенными элементами.

Задача изобретения – расширение области применения и функциональных возможностей способа обнаружения радиоэлектронных средств за счет обеспечения возможности обнаружения сигналов радиоэлектронных средств и определения их частотных, пространственных параметров и дальности до радиоэлектронных средств, находящихся в ближней зоне, причем совокупность этих параметров позволяет определять и местоположение этих средств.

Для решения поставленной задачи в известном способе обнаружения радиоэлектронных средств, заключающейся в приеме сигналов плоской антенной решеткой, входящей в состав многоэлементной антенной системы, их усилении, перемножении и низкочастотной фильтрации выходного напряжения каждого антенного элемента с выходными напряжениями всех остальных антенных элементов и представлении результатов перемножения и фильтрации в виде корреляционной матрицы сигналов, задержке этих сигналов на время задержки _з, значение которого обеспечивает выполнение условия, что вероятность изменения числа воздействующих на многоэлементную антенную систему за время _з сигналов более чем на один пренебрежимо мала, поэлементном вычитании сигналов текущей и задержанной матриц сигналов и представлении результатов вычитания в виде разностной корреляционной матрицы сигнала, которая является ненулевой матрицей в случае изменения количества излучающих радиоэлектронных средств за период времени, равный _з, и представляет собой корреляционную матрицу появившегося или исчезнувшего сигнала, определении по виду разностной корреляционной матрицы сигнала значений рабочей частоты и направления прихода сигнала радиоэлектронного средства, находящегося в дальней зоне, прекратившего или начавшего излучение за этот период времени, измерении полярности разностной корреляционной матрицы сигнала и определении по ее значению принадлежности сигнала к радиоэлектронным средствам, прекратившим или начавшим излучение, дополнительно сравнивают уровни сигналов элементов разностной корреляционной матрицы, соответствующих функциям взаимной корреляции сигналов в соседних парах антенных элементов, образующих линейные антенные решетки многоэлементной антенной системы, и в случае их неравенства хотя бы для одной линейной антенной решетки многоэлементной антенной системы относят обнаруженное радиоэлектронное средство к ближней зоне и определяют по виду разностной корреляционной матрицы сигнала значения рабочей частоты, направления прихода сигнала радиоэлектронного средства, прекратившего или начавшего излучение за этот период времени, и дальность до этого радиоэлектронного средства.

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

На фиг.1 приведена структурная схема устройства, поясняющего сущность заявляемого способа обнаружения радиоэлектронных средств, на фиг.2 – иллюстрация основных соотношений в линейной антенной решетке для плоского фронта волны; на фиг.3 – иллюстрация основных соотношений в линейной антенной решетке для сферического фронта волны, на фиг.4 – схема расположения антенных элементов многоэлементной антенной системы, на фиг.5 – структурная схема блока корреляционной матрицы сигналов, на фиг.6 – структурная схема коррелятора, входящего в состав блока корреляционной матрицы сигналов, на фиг.7 – структурная схема блока определения частотных и пространственных параметров сигналов в ближней зоне, на фиг.8 – структурная схема блока определения частотных и пространственных параметров сигналов в дальней зоне, на фиг.9 – структурная схема блока определения частотных и пространственных параметров сигналов в ближней зоне в секторе =[0°…120°[ на фиг.10 – временные диаграммы, поясняющие сущность заявляемого способа, на фиг.11 – иллюстрация для определения фазовых сдвигов напряжений сигнала на выходах АЭ в линейной антенной решетке для сферического фронта волны.

На фиг.1 приняты следующие обозначения:

1 – многоэлементная антенная система;

2 – усилитель;

3 – блок корреляционной матрицы сигналов (КМС);

4 – блок сравнения;.

5 – вычитающее устройство;

6 – блок линий задержки;

7 – схема ИЛИ;

8 – 1-й коммутатор;.

9 – блок определения знака разностной корреляционной матрицы сигнала;

10 – блок определения частотных и пространственных параметров сигналов в дальней зоне;

11 – блок определения частотных и пространственных параметров сигналов в ближней зоне;

12 – 2-й коммутатор;

13 – 3-й коммутатор;

14 – запоминающее устройство параметров сигналов радиоэлектронных средств, прекративших излучение в дальней зоне;

15 – запоминающее устройство параметров сигналов радиоэлектронных средств, начавших излучение в дальней зоне;

16 – запоминающее устройство параметров сигналов радиоэлектронных средств, прекративших излучение в ближней зоне;

17 – запоминающее устройство параметров сигналов радиоэлектронных средств, начавших излучение в дальней зоне.

На фиг.5 приняты следующие обозначения:

18.1-18.36 – корреляторы.

На фиг.6 приняты следующие обозначения:

19 – умножитель;

20 – низкочастотный фильтр.

На фиг.7 приняты следующие обозначения:

21-23 – блоки определения частотных и пространственных параметров сигналов в ближней зоне в секторе =[0°…120°[, [120°…240°[ и [240°…360°[ соответственно.

На фиг.8 приняты следующие обозначения:

25.1-25.3 – генераторы значений параметров;

26 – блок формирования эталонных сигналов;

27 – блок корреляционной матрицы эталонного сигнала;

28 – вычитающее устройство;

29 – блок оценки разности;

30 – преобразователь “параметр – цифровой код”;

31 – блок управления генераторами;

32 – электронный коммутатор.

На фиг.9 приняты следующие обозначения:

23.1-23.3 – генераторы значений параметров;

34 – блок формирования эталонных сигналов;

35 – блок корреляционной матрицы эталонного сигнала;

36 – вычитающее устройство;

37 – блок оценки разности;

38 – преобразователь “параметр – цифровой код”;

39 – блок управления генераторами;

40 – электронный коммутатор.

Устройство, поясняющее сущность заявляемого способа обнаружения радиоэлектронных средств (фиг.1), содержит последовательно соединенные многоэлементную антенную систему 1, усилитель 2, блок корреляционной матрицы сигналов 3, блок линий задержки 6, вычитающее устройство 5, второй вход которого соединен с выходом блока корреляционной матрицы сигналов 3, 1-й коммутатор 8, блок определения частотных и пространственных параметров сигналов в дальней зоне 10, 2-й коммутатор 12 и запоминающее устройство параметров сигналов радиоэлектронных средств, прекративших излучение в дальней зоне 14, а также содержит последовательно соединенные блок определения частотных и пространственных параметров сигналов в ближней зоне 11, вход которого соединен со вторым выходом 1-го коммутатора 8, 3-й коммутатор 13 и запоминающее устройство параметров сигналов радиоэлектронных средств, прекративших излучение в ближней зоне 16, последовательно соединенные блок сравнения 4, вход которого соединен с выходом вычитающего устройства 5 и схему ИЛИ 7, выход которой соединен с управляющим входом 1-го коммутатора 8, а также содержит блок определения знака разностной корреляционной матрицы сигнала 9, вход которого соединен с выходом вычитающего устройства 5, а выход соединен с управляющими входами 2-го и 3-го коммутаторов 12 и 13, входами записи запоминающих устройств параметров сигналов радиоэлектронных средств, прекративших излучение в дальней и ближней зоне 14 и 16, а также содержит запоминающее устройство параметров сигналов радиоэлектронных средств, начавших излучение в дальней зоне 15, и запоминающее устройство параметров сигналов радиоэлектронных средств, начавших излучение в дальней зоне 17, информационные входы которых соединены со вторыми выходами соответственно 2-го и 3-го коммутаторов 12 и 13, а входы записи соединены с выходом блока определения знака разностной корреляционной матрицы сигнала 9.

Блоки, используемые в устройстве, осуществляющем предложенный способ, могут быть реализованы следующим образом.

Многоэлементная антенная система 1 в общем случае представляет собой N-элементную антенную решетку (в качестве примера на фиг.4 приведена 6-элементная).

Усилитель 2 представляет собой N-канальный усилитель.

Блок корреляционной матрицы сигналов 3 представляет собой (N×N) корреляторов, выходные сигналы которых характеризуют корреляционную связь между сигналами в соответствующих антенных элементах, и может быть реализован по схеме, приведенной на фиг.5. Входящие в состав блока КМС 3 корреляторы 18.1…18.36 широко используются в устройствах обработки сигналов многоканальных АС, например Ямпольский В.Г., Фролов О.П. Антенны и ЭМС. – М.: Радио и связь, 1983, с.235 рис.10.10, с.240, рис.10.16, Венскаускас К.К. Компенсация помех в судовых радиотехнических системах – Л.: Судостроение, 1989, с.111, рис.2.31 и могут быть реализованы по схеме фиг.6 в виде последовательно соединенных умножителя 19 и низкочастотного фильтра 20.

Вычитающее устройство 5 представляет собой набор функциональных узлов (количество которых определяется числом сигналов, составляющих КМС) и может быть реализовано с использованием соответствующих дифференциальных усилителей, реализующих операции вычитания сигналов.

Блок линий задержки 6 содержит N×N идентичных линий задержки и может быть реализован на основе ультразвуковых линий задержки.

Схема ИЛИ 7 реализуется на базе логических элементов.

Коммутаторы 8, 12, 13 представляют собой электронные коммутаторы, подключающие вход к одному из двух выходов в зависимости от уровня сигнала на управляющем входе.

Блок определения знака разностной корреляционной матрицы сигналов 9 может быть реализован с использованием логических элементов.

Блок определения частотных и пространственных параметров сигналов в дальней зоне 10 может быть выполнен по структурной схеме, приведенной на фиг.8. Он содержит последовательно соединенные блок формирования эталонных сигналов 26, блок корреляционной матрицы эталонного сигнала 27, вычитающее устройство 28, блок оценки разности 29, электронный коммутатор 32, а также блок управления генераторами 31, генераторы значений параметров 25.1…25.3, входы которых соединены с соответствующими выходами блока управления генераторами 31, преобразователь “параметр – цифровой код” 30, входы которого соединены с соответствующими входами блока формирования эталонных сигналов 26 и выходами соответствующих генераторов значений параметров 25.1…25.3, а выходы соединены с соответствующими входами электронного коммутатора 32.

Блок определения частотных и пространственных параметров сигналов в ближней зоне 11 может быть реализован по схеме, приведенной на фиг.7. Блоки определения частотных и пространственных параметров сигналов в ближней зоне в секторе =[0°…120°[, [120°…240°[ и [240°…360°[ 21, 22 и 23 соответственно, входящие в состав блока определения частотных и пространственных параметров сигналов в ближней зоне 11, идентичны и отличаются только диапазоном генерации параметра азимута . Структурная схема одного из этих блоков приведена на фиг.9. Реализация каждого из этих блоков аналогична блоку определения частотных и пространственных параметров сигналов в дальней зоне 10, за исключением того, что в их состав дополнительно входят генераторы значений параметра дальности.

Запоминающие устройства параметров сигналов радиоэлектронных средств 14…17 реализуются с использованием цифровых регистров записи двоичного кода, выполненных на основе RS или D-триггеров.

Блок сравнения 4 применительно к рассматриваемой многоэлементной АС 1 может быть реализован в виде трех модулей (по числу линейных АР в составе многоэлементной АС 1): последовательно соединенных вычитающего устройства и блока оценки разности (по аналогии с блоками 28 и 29 в блоке определения частотных и пространственных параметров сигналов в дальней зоне 10).

Таким образом, реализация предложенного способа не вызывает сомнений, так как в устройстве для его осуществления используются типовые радиотехнические устройства и элементы цифровой техники.

Заявляемый способ обнаружения радиоэлектронных средств основан на использовании методов пространственной обработки сигналов, реализуемых многоканальными устройствами, в составе которых применяются многоэлементные антенные системы.

Устройство, реализующее предложенный способ, работает следующим образом.

В качестве примера рассмотрим шестиэлементную антенную систему, элементы которой расположены в соответствии с фиг.4. Антенные элементы 2, 4 и 6 размещены в вершинах равностороннего треугольника, а антенные элементы 1, 3, 5 находятся в серединах сторон этого треугольника.

Используемое количество АЭ в многоэлементной АС 1 и их расположение обусловлено следующими факторами. Антенные элементы 1, 2 и 3 образуют плоскую антенную решетку (АР) и используются при обнаружении и определении частотных и пространственных параметров сигналов (азимут, угол места, частота) РЭС, расположенных в дальней зоне (когда фронт электромагнитной волны от этих РЭС можно считать плоским). Группы антенных элементов 2 – 3 – 4, 4 – 5 – 6 и 6 – 1 – 2 образуют линейные АР, которые используются при обнаружении и определении частотных и пространственных параметров сигналов (азимут, угол места, частота, дальность до источника радиоизлучения) РЭС, расположенных в ближней зоне.

На выходе каждого антенного элемента (АЭ) напряжения (отклики) одного и того же входного сигнала отличаются для идентичных АЭ фазовыми сдвигами, определяемыми разностью хода электромагнитной волны до АЭ.

Для обеспечения возможности дальнейшей обработки сигналов с выходов АЭ производится их усиление в соответствующих каналах усилителя 2 до необходимого уровня.

Извлечение информации, заложенной в набеге (сдвиге) фазы выходных напряжений АЭ, имеет определенные трудности, обусловленные следующими факторами. Выходное напряжение каждого АЭ представляет собой аддитивную смесь сигнала, помех и шума. Сигналы, помехи и шумы описываются статистическими характеристиками, а оцениваются усредненными значениями, которые получают путем корреляционной обработки. Результаты корреляционной обработки выходных сигналов многоэлементных АС удобно представлять в виде КМС. Корреляционная матрица сигналов содержит полную информацию о внешних источниках, воздействующих на многоэлементную АС. В случае плоского фронта волны принимаемого сигнала (РЭС находится в дольней зоне) диагональные элементы КМС дают информацию о мощности собственных и внешних шумов в парциальных каналах приема, остальные элементы КМС содержат информацию о длинах волн (частотах) и о направлениях прихода сигналов, см., например, Ямпольский В.Г., Фролов О.П. Антенны и ЭМС. – М.: Радио и связь, 1983, стр.227, Монзинго Р.А., Миллер Т.У. Адаптивные антенные решетки: введение в теорию: Пер. с англ. – М.: Радио и связь 1986, с.71-73, Венскаускас К.К. Компенсация помех в судовых радиотехнических системах. – Л.: Судостроение, 1989, с.13, 14, Адаптивная компенсация помех в каналах связи /Ю.И.Лосев, А.Г.Бердников, Э.Ш.Гойхман, Б.Д.Сизов/ под. ред. Ю.И.Лосева. – М.: Радио и связь, 1988, с.22-23.

В случае сферического фронта волны (РЭС в ближней зоне) совокупность сигналов (являющихся элементами разностной КМС), соответствующих функциям взаимной корреляции сигналов в соседних парах АЭ, образующих линейные АР многоэлементной АС 1, содержат информацию о длинах волн-(частотах), направлениях прихода сигналов и дальности до РЭС, а диагональные элементы КМС также дают информацию о мощности собственных и внешних шумов в парциальных каналах приема.

Для удобства извлечения информации, заложенной в набеге (сдвиге) фазы сигнала, необходимо получить корреляционную матрицу сигналов на выходе многоэлементной АС 1, диагональные элементы которой являются функциями автокорреляции, а остальные элементы – функциями взаимной корреляции сигналов в соответствующих антенных элементах

Для получения элементов КМ производится перемножение и низкочастотная фильтрация выходного напряжения каждого АЭ с выходными напряжениями всех остальных АЭ в блоке КМС 3, схема которого приведена на фиг.5. Корреляторы в блоке КМС 3 идентичны.

Для рассматриваемого случая корреляционная матрица сигналов на выходе блока КМС 3 при наличии М сигналов радиоэлектронных средств имеет вид:

где _i12=_i1–_i2 – набег фазы принимаемого сигнала в первом АЭ относительно второго;

_i13=_i1–_i3 – набег фазы принимаемого сигнала в первом АЭ относительно третьего;

_i21=_i2–_i1 – набег фазы принимаемого сигнала в третьем АЭ относительно второго и так далее.

Задержка сигналов, являющихся элементами КМС, производится в блоке линий задержки 6, причем количество линий задержки определяется числом сигналов, составляющих КМС.

Время задержки _з выбирается из условий: вероятность изменения числа воздействующих на многоэлементную антенную систему за время _з сигналов более чем на один должна быть пренебрежимо мала, в то же время величина _з должна быть не меньше длительности переходных процессов при формировании выходных сигналов корреляторов.

Поэлементное вычитание сигналов текущей и задержанной матриц и представление результатов вычитания в виде разностной корреляционной матрицы сигналов осуществляется в вычитающем устройстве 4 путем вычитания из каждого сигнала, являющегося элементом текущей КМС вида (1), соответствующего сигнала задержанной КМС. Таким образом, на выходе вычитающего устройства 5 в рассматриваемом примере имеются тридцать шесть разностных сигналов, являющихся элементами разностной КМС:

При выполнении операции вычитания КМС возможны три исхода:

1. За время, равное _з число сигналов, воздействующих на многоэлементную АС 1, не изменилось, тогда соответствующие элементы текущей и задержанной КМС не отличаются друг от друга, и поэтому все элементы разностной КМС равны нулю.

2. За время, равное _з, число воздействующих на многоэлементную АС 1 сигналов уменьшилось на один (исчез k-й сигнал), тогда разностная КМС является отрицательной матрицей и имеет вид:

3. За время, равное _з, число воздействующих на многоэлементную АС 1 сигналов увеличилось на один (появился l-й сигнал), тогда разностная КМС является положительной матрицей и имеет вид:

Так как значение времени задержки _з выбрано с тем условием, что вероятность изменения числа воздействующих на многоэлементную АС 1 за время _з сигналов более, чем на один пренебрежимо мала, то разностная КМС представляет собой корреляционную матрицу появившегося или исчезнувшего сигнала. При этом знак матрицы позволяет определить: появился сигнал или исчез, что поясняется эпюрами, приведенными на фиг.10 применительно к четырем сигналам U₁, U₂, U₃, U₄, воздействующим в различные моменты времени на многоэлементную АС 1. Сигналы, являющиеся элементами разностной КМС, подаются на блок определения знака разностной корреляционной матрицы сигнала 9, 1-й коммутатор 8, кроме того, сигналы элементов разностной корреляционной матрицы, соответствующие функциям взаимной корреляции сигналов в соседних парах антенных элементов, образующих линейные антенные решетки многоэлементной АС 1, подаются на блок сравнения 4.

Принятие решения об отнесении источника появившегося сигнала к ближней или дальней зоне в заявляемом способе производится путем оценки кривизны фазового фронта волны принимаемого сигнала. В рассматриваемом примере для этой цели в многоэлементной АС 1 используются три линейные АР, состоящие из групп антенных элементов 2 – 3 – 4, 4 – 5 – 6 и 6 – 1 – 2. Использование совокупности трех АР обусловлено следующими факторами:

1. При совпадении направления прихода волны с осью линейной АР фазовые сдвиги между сигналами в соответствующих АЭ равны, поэтому использование для оценки кривизны фазового фронта одной решетки не позволит определить принадлежность источника к ближней зоне при совпадении его азимута с осью АР.

2. Каждая линейная АР чувствительна к изменению кривизны фазового фронта в некотором азимутальном секторе относительно нормали к оси АР, поэтому использование трех АР позволяет выровнять чувствительность многоэлементной АС 1 к изменениям параметров фазового фронта сигналов, приходящих со всех направлений в азимутальной плоскости.

Решение о нахождении источника появившегося (исчезнувшего) сигнала в дальней зоне принимается в случае, когда уровни сигналов элементов разностной корреляционной матрицы, соответствующих функциям взаимной корреляции сигналов в соседних парах антенных элементов линейных АР, равны применительно к рассматриваемой шестиэлементной АС 1:

при этом набег фазы наводимых в АЭ напряжений относительно предыдущего из-за разности хода лучей одинаков для любой пары АЭ (см. фиг.2), что соответствует плоской волне.

Решение о нахождении источника появившегося (исчезнувшего) сигнала в ближней зоне принимается в случае неравенства уровней сигналов элементов разностной корреляционной матрицы, соответствующих функциям взаимной корреляции сигналов в соседних парах антенных элементов хотя бы для одной линейной АР многоэлементной AC 1.

Сравнение уровней, сигналов элементов разностной корреляционной матрицы производится в блоке сравнения 4. В случае равенства уровней соответствующих сигналов элементов разностной корреляционной матрицы на выходах блока сравнения 4 сигналы отсутствуют, при этом на выходе схемы ИЛИ 7 имеется напряжение низкого уровня (логический ноль), при котором 1-й коммутатор 8 подключает выход вычитающего устройства 5 к входу блока определения частотных и пространственных параметров сигналов в дальней зоне 10. В случае неравенства уровней соответствующих сигналов элементов разностной корреляционной матрицы хотя бы для одной линейной антенной решетки многоэлементной АС 1 на одном или нескольких выходах блока сравнения 4 (и соответственно на управляющем входе 1-го коммутатора 8) появляется напряжение высокого уровня, при этом выход вычитающего устройства 5 подключается к входу блока определения частотных и пространственных параметров сигналов в ближней зоне 11.

Таким образом, в зависимости от принадлежности обнаруженного РЭС к ближней или дальней зоне определение частотных и пространственных параметров сигналов радиоэлектронных средств производится в соответствующем блоке определения частотных и пространственных параметров сигналов 10 или 11.

Принципы определения пространственных и частотных параметров радиосигналов известны и основаны на приеме сигнала несколькими антенными элементами, расположенными в разнесенных точках пространства, обработке напряжений, наведенных в этих антенных элементах, с использованием различных методов (амплитудного, фазового, амплитудно-фазового, доплеровского и др.) с целью извлечения информации о пространственных и частотных параметрах, которая содержится в разности фаз напряжений в антенных элементах, например, Кукес И.С., Старик М.Е. Основы радиопеленгации. – М.: Сов. радио, 1964, с.20-35.

В заявляемом способе используется фазовый метод, реализующий алгоритм пространственной обработки сигналов: наведенные в каждом АЭ напряжения подвергаются корреляционной обработке в блоке КМС 3, в результате которой формируются сигналы (являющиеся элементами разностной КМ). Фазы этих сигналов содержат информацию об азимуте , угле места и длине волны (частоте), а в случае сферического фронта совокупность сигналов (являющихся элементами разностной КМ), соответствующих функциям взаимной корреляции сигналов в соседних парах АЭ, образующих линейные АР многоэлементной АС 1, содержат информацию о длинах волн (частотах), направлениях прихода сигналов и дальности до РЭС.

Как было отмечено выше, при обнаружении и определении частотных и пространственных параметров сигналов (азимут, угол места, частота) РЭС, расположенных в дальней зоне, в рассматриваемом примере используются антенные элементы 1, 2 и 3 образующие плоскую АР, см. фиг.4, при этом на выходах этих АЭ напряжения (отклики) i-го сигнала имеют фазовые сдвиги _i1, _i2, _i3, величины которых определяются соотношением радиуса круга антенного массива R (для этих АЭ), длины волны сигнала (частоты f), а также направлением прихода электромагнитных волн, и определяются следующими формулами:

где – азимут, – угол места, характеризующие направление прихода сигнала, см. например, Германия, патент DE 4128191 Al, 1993, МПК 7 G01S 3/46.

Определение параметров сигнала , , и f в блоке определения частотных и пространственных параметров сигналов в дальней зоне 10 (фиг.8) осуществляется следующим образом. Блок управления генераторами 31 для заданных (установленных пользователем) границ поиска по частотному диапазону f_min, f_max; азимуту _min, _max; углу места _min, _max и соответствующих значений разрешения по частоте, азимуту и углу места f; ; управляет соответствующими генераторами 25.1…25.3, формирующими множество вариантов сочетаний напряжений, пропорциональных соответственно значениям частоты (в МГц), азимута и угла места (в град.). В блоке формирования эталонных сигналов 26 имитируются сигналы с антенных элементов многоэлементной АС 1 для текущих сочетаний значений f; ; в соответствии в выражением (6). Блок корреляционной матрицы эталонного сигнала 27 и вычитающее устройство 28 в блоке определения частотных и пространственных параметров сигналов в дальней зоне 10 идентичны соответственно блоку КМС 3 и вычитающему устройству 5 на фиг.1 и выполняют те же функции. В блоке оценки разности 29 определяется точность совпадения корреляционной матрицы появившегося или исчезнувшего в эфире сигнала и корреляционной матрицы сформированных копий (эталонных сигналов) по. заданному пороговому значению. При неизменной РЭО (отсутствии сигнала на входе блока определения частотных и пространственных параметров сигналов в дальней зоне 10) значение напряжения выходного сигнала блока оценки разности 29 равно нулю. В случае, если разность корреляционных матриц сигналов на выходе вычитающего устройства 28 не превышает порогового значения (т.е. эталонный сигнал максимально совпал с сигналом на выходе вычитающего устройства 5 (фиг.1) и параметры которою надо определить), на выходе блока оценки разности 29 появляется сигнал высокого уровня (логическая единица), который открывает электронный коммутатор 32, при этом сигналы с выходов генераторов значений параметров f; ; 25.1…25.3, присутствующие на входе электронного коммутатора 32 в виде кода частоты, азимута и угла места (в результате аналогово-цифрового преобразования в преобразователе “параметр – цифровой код”), поступают на выход блока определения частотных и пространственных параметров сигналов в дальней зоне 10. Таким образом, оценки значений ; ; соответствуют значениям параметрам сигналов, начавшим или прекратившим излучение.

Таким же образом (путем формирования множества эталонных сигналов и сравнения каждого из них с принятым многоэлементной AC сигналом корреляционным методом) определяются пространственные параметры сигналов в малобазовом интерферометре, см. Германия, патент DE 4128191 А1, 1993, МПК 7 G01S 3/46.

Как было отмечено выше, при обнаружении и определении частотных и пространственных параметров сигналов (частоты, азимута, угла места, дальности) РЭС, расположенных в ближней зоне в рассматриваемом примере, используются группы антенных элементов 2 – 3 – 4,4 – 5- 6 и 6 – 1 – 2, образующие линейные АР. При этом для первой из этих АР разности хода волны между крайними и средним антенными элементами, см. фиг.11, равны:

Дальности от АЭ до ИРИ могут быть определены из треугольников АЭ2-ИРИ-АЭ3 и АЭ3-ИРИ-АЭ4 по теореме косинусов:

или

С учетом (7) выражение (9) принимает вид:

Решения уравнений (10) относительно разностей хода имеют вид

Тогда выражения для фазовых сдвигов принимают вид:

Аналогичным образом определяются фазовые соотношения для остальных линейных АР многоэлементной AC 1.

Определение параметров сигнала , , и D (дальности до радиоэлектронного средства, прекратившего или начавшего излучение) при нахождении РЭС в ближней зоне осуществляется в блоке определения частотных и пространственных параметров сигналов в ближней зоне 11 (фиг.7). В зависимости от азимута на обнаруженный ИРИ определение параметров сигнала производится в одном из блоков определения частотных и пространственных параметров сигналов в ближней зоне в секторе =[0°…120°], [120°…240°] или [240°…360°] 21, 22 или 23 соответственно. Определение частотных и пространственных параметров сигналов в ближней зоне в этих блоках производится аналогичным образом, что и в блоке определения частотных и пространственных параметров сигналов в дальней зоне 10 с разницей в том, что блок управления генераторами 39 для заданных (установленных пользователем) границ поиска по частотному диапазону f_min, f_max; азимуту _min, _max; углу места _min, _max и дальности до радиоэлектронного средства, прекратившего или начавшего излучение D, и соответствующих значений разрешения по частоте, азимуту, углу места и дальности f; ; ; D управляет соответствующими генераторами 33.1…33.4, формирующими множество вариантов-сочетаний напряжений, пропорциональных соответственно значениям частоты (в МГц), азимута и угла места (в град.) и дальности (в метрах). В блоке формирования эталонных сигналов 34 имитируются сигналы с антенных элементов многоэлементной АС1 для текущих сочетаний значений f; ; , D в соответствии в выражением (12).

Полярность разностной КМС определяется полярностью сигналов, являющихся диагональными элементами разностной КМС на выходе вычитающего устройства 5, и измеряется с целью разделения сигналов на принадлежность к радиоэлектронным средствам, прекратившим или начавшим излучение. Если полярность напряжения импульса, поступающего с выхода блока определения знака разностной КМС 9, положительна, то разностная КМС содержит информацию о РЭС, начавшем излучение, если отрицательна – то разностная КМС содержит информацию о РЭС, прекратившем изучение.

Значения частотных и пространственных параметров сигналов радиоэлектронных средств в зависимости от полярности напряжения импульса, поступающего с выхода блока определения знака разностной КМС 9 на 2-й и 3-й коммутаторы 12 и 13, записываются в виде двоично-десятичного кода (электрических импульсов низкого и высокого уровня) в соответствующие запоминающие устройства 14…17.

Поясним динамику работы устройства, реализующего заявляемый способ. Пусть в момент времени t₁ количество сигналов на входе многоэлементной АС 1 увеличилось на один. При этом корреляционная матрица сигналов на выходе блока КМС 3 изменилась, а за счет задержки ее предыдущего вида в блоке линий задержки 6 разностная КМС на выходе вычитающего устройства 5 (являющаяся нулевой до момента времени t₁) становится ненулевой и положительной. В зависимости от уровня сигнала на выходе схемы ИЛИ 7 (соответствующего нахождению обнаруженного РЭС в ближней или дальней зоне) 1-й коммутатор 8 подключает выход вычитающего устройства 5 к одному из блоков определения частотных и пространственных параметров сигналов 10 или 11. Сигнал с выхода блока определения знака разностной КМС 9 (в данном случае положительного уровня) поступает на 2-й и 3-й коммутаторы 12 и 13 и на входы записи запоминающих устройств 14…17 (у которых входы запоминающих устройств 15 и 17 являются прямыми, а входы запоминающих устройств 14 и 16 – инверсными). При этом значения частотных и пространственных параметров сигнала радиоэлектронного средства, начавшего излучение через соответствующий коммутатор 12 или 13 (в зависимости от нахождения обнаруженного РЭС в ближней или дальней зоне), записываются в соответствующее запоминающее устройство параметров сигналов радиоэлектронных средств, начавших излучение 15 или 17.

Пусть в момент времени t₂ количество сигналов на входе многоэлементной АС 1 уменьшилось на один. При этом разностная КМС на выходе вычитающего устройства 5 (являющая нулевой до момента времени t₂, то есть пока количество сигналов, воздействующих на многоэлементную АС 1, не изменялось) становится ненулевой и отрицательной. Далее аналогично в зависимости от уровня сигнала на выходе схемы ИЛИ 7 (соответствующего нахождению обнаруженного РЭС в ближней или дальней зоне) 1-й коммутатор 8 подключает выход вычитающего устройства 5 к одному из блоков определения частотных и пространственных параметров сигналов 10 или 11. Сигнал с выхода блока определения знака разностной КМС 9 (в данном случае отрицательного уровня) поступает на 2-й и 3-й коммутаторы 12 и 13 и на входы записи запоминающих устройств 14…17. При этом значения частотных и пространственных параметров сигнала радиоэлектронного средства, прекратившего излучение через соответствующий коммутатор 12 или 13 (в зависимости от нахождения обнаруженного РЭС в ближней или дальней зоне) записываются в соответствующее запоминающее устройство параметров сигналов радиоэлектронных средств, прекративших излучение 14 или 16.

Заявляемый способ расширяет область применения и функциональные возможности способа обнаружения радиоэлектронных средств прототипа за счет обеспечения возможности обнаружения сигналов радиоэлектронных средств и определения их частотных и пространственных параметров в ближней зоне, причем совокупность этих параметров позволяет определять местоположение радиоэлектронных средств в ближней зоне.

Формула изобретения

Способ обнаружения радиоэлектронных средств, заключающийся в приеме сигналов плоской антенной решеткой, входящей в состав многоэлементной антенной системы, их усилении, перемножении и низкочастотной фильтрации выходного напряжения каждого антенного элемента с выходными напряжениями всех остальных антенных элементов и представлении результатов перемножения и фильтрации в виде корреляционной матрицы сигналов, задержке этих сигналов на время задержки _з, значение которого обеспечивает выполнение условия, что вероятность изменения числа воздействующих на многоэлементную антенную систему за время _з сигналов более чем на один пренебрежимо мала, поэлементном вычитании сигналов текущей и задержанной матриц сигналов и представлении результатов вычитания в виде разностной корреляционной матрицы сигнала, которая является ненулевой матрицей в случае изменения количества излучающих радиоэлектронных средств за период времени, равный _з, и представляет собой корреляционную матрицу появившегося или исчезнувшего сигнала, определении по виду разностной корреляционной матрицы сигнала значений рабочей частоты и направления прихода сигнала радиоэлектронного средства, находящегося в дальней зоне, прекратившего или начавшего излучение за этот период времени, измерении полярности разностной корреляционной матрицы сигнала и определении по ее значению принадлежности сигнала к радиоэлектронным средствам, прекратившим или начавшим излучение, отличающийся тем, что дополнительно сравнивают уровни сигналов элементов разностной корреляционной матрицы, соответствующих функциям взаимной корреляции сигналов в соседних парах антенных элементов, образующих линейные антенные решетки многоэлементной антенной системы, и в случае их неравенства хотя бы для одной линейной антенной решетки многоэлементной антенной системы относят обнаруженное радиоэлектронное средство к ближней зоне и определяют по виду разностной корреляционной матрицы сигнала значения рабочей частоты, направления прихода сигнала радиоэлектронного средства, прекратившего или начавшего излучение за этот период времени, и дальность до этого радиоэлектронного средства.

РИСУНКИ