автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Совместное обнаружение и фазовое пеленгование источников радиоизлучения при одновременном обзоре в широкой полосе частот в условиях априорной неопределенности сигнально-помеховой обстановки

Р О У-«-»■-'

На правах рукописи

Чемаров Алексей Олегович

СОВМЕСТНОЕ ОБНАРУЖЕНИЕ И ФАЗОВОЕ ПЕЛЕНГОВАНИЕ ИСТОЧНИКОВ РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ ПРИ ОДНОВРЕМЕННОМ ОБЗОРЕ В ШИРОКОЙ ПОЛОСЕ ЧАСТОТ В УСЛОВИЯХ АПРИОРНОЙ НЕОПРЕДЕЛЁННОСТИ СИГНАЛЬНО-ПОМЕХОВОЙ ОБСТАНОВКИ

Специальность: 05.12.04 - Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

1 4 ННЗ

Санкт-Петербург - 2009

003490096

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина)

Научный руководитель - кандидат технических наук,

доцент М. Е. Шевченко

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Ю. С. Юрченко кандидат технических наук А. Н. Симонов

Ведущая организация Санкт-Петербургский государственный университет

телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича

Защита диссертации состоится «. /О » ф&МАЛ. 2010 года в

часов

на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертации Д 212.238.03 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, СПб, ул. Проф. Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан « // » ¿^¿¿иху^р^ 2009 года.

Учёный секретарь совета по защите докторских и кандидатских диссертаций

С. А. Баруздин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Для современных мобильных систем радиомониторинга при панорамном обзоре требуются быстродействующие алгоритмы совместного обнаружения и пеленгования источников радиоизлучения (ИРИ) в широкой полосе частот, обеспечивающие устойчивые и достоверные оценки частоты и угловых координат (УК) ИРИ в условиях сложной и априорно неопределённой сигнально-помеховой обстановки, которая характеризуется:

- неизвестным количеством присутствующих в полосе обзора сигналов от ИРИ;

- априорной неопределённостью параметров сигналов (их уровней, частот, ширины спектров и УК);

- возможным перекрытием спектров сигналов вследствие несоблюдения регламента радиосвязи, наличия внеполосных излучений, неблагоприятного расположения ИРИ близких частот относительно средства радиомониторинга, радиоэлектронной борьбы;

- возможным наличием сигналов с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты (ППРЧ);

- неизвестной степенью загруженности полосы обзора (ЗПО);

- неизвестным уровнем шума.

В существующих радиопеленгационных системах процессы обнаружения и оценивания УК обычно разделены, что ограничивает возможности таких систем по скорости обзора частотного диапазона и определению УК кратковременных сигналов. Также не учтено возможное перекрытие спектров соседних сигналов по частоте, не стабилизированы характеристики обнаружения при высокой загруженности полосы обзора, отсутствует возможность обнаружения и определения УК нескольких ИРИ с ППРЧ.

Существующие системы в сложной сигнально-помеховой обстановке не обеспечивают устойчивые показатели качества — вероятность правильного обнаружения и точность пеленгования. Поэтому для радиомониторинга требуются работоспособные при перекрытии спектров сигналов алгоритмы совместного обнаружения и определения УК сигналов при обработке выходных процессов (ВП) панорамного радиоприёмного устройства (ПРПУ), реализуемые в масштабе реального времени.

Совмещение процессов обнаружения и определения УК позволяет:

- повысить скорость обзора частотного диапазона по сравнению с традиционными методами, в которых обнаружение в широкой полосе частот, существенно превышающей полосу сигналов, и пеленгование на фиксированной частоте производятся различными устройствами или на основе анализа различных принятых данных;

- обнаруживать ИРИ с ППРЧ и определять их УК;

- определять УК источников кратковременных сигналов, длительность которых не превосходит времени, требуемого для настройки пеленгатора на заданную частоту при традиционном разделении функций обнаружения в широкой полосе и пеленгования.

Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка и исследование реализуемого в масштабе реального времени алгоритма совместного обнаружения и фазового оценивания УК ИРИ при одновременном обзоре в широкой полосе частот при сложной сигаально-помеховой обстановке для мобильного радиопеленгатора с трёхэлементной антенной решеткой (АР).

Основные методы исследования. Для решения поставленной задачи применены методы цифровой обработки сигналов, теории проверки статистических гипотез, линейной алгебры и статистической радиотехники. Экспериментальные исследования выполнены на базе статистических моделей и с использованием записей реальных сигналов. Проведены полевые испытания макета обнаружителя-пеленгатора.

Научная новизна состоит в предложенном алгоритме совместного обнаружения и формирования достоверных оценок УК ИРИ фазовым методом в широкой полосе частот при перекрытии спектров сигналов и неизвестных частотах сигналов в условиях априорной неопределённости уровня шума и неопределённой ЗПО.

Основные положения, выносимые на защиту:

- правило формирования оценок фазовых сдвигов сигналов между элементами АР (ЭАР), которое позволяет сформировать достоверные оценки УК ИРИ фазовым методом при перекрытии спектров сигналов;

- правило принятия решения о наличии составляющих более одного сигнала в частотном отсчёте спектрограмм, которое допускает любую корреляцию составляющих различных сигналов, присутствующих в частотном отсчёте;

- правило принятия решения о наличии составляющих одного и того же сигнала в различных частотных отсчётах спектрограмм, которое позволяет определить занятый сигналом интервал частот;

- квартальная оценка уровня шума по цензурированной выборке отсчетов периодограммы Бартлетта, оптимальная по критерию минимума максимальной относительной ошибки, которая стабилизирует характеристики обнаружения в условиях априорной неопределённости ЗПО.

Практическая ценность работы состоит в повышении достоверности выносимых мобильным малобазовым радиопеленгатором оценок УК ИРИ в случае перекрытия спектров сигналов и при высокой загруженности частотного диапазона; в обнаружении и определении УК с высокой скоростью обзора частотного диапазона без использования традиционной многоканальной аппаратуры; в стабилизации характеристики обнаружения в условиях неопределённой ЗПО и уровня шума.

Достоверность результатов работы подтверждается аналитическими выводами, модельными экспериментами и полевыми испытаниями макета обнаружителя-пеленгатора.

Внедрение результатов работы осуществлено на ФГУП «НИИ «Вектор» (г. С-Петербург) в проводимых НИР, а также при модернизации изделий предприятия «Жасмин - 2М» и «Жасмин - СПВ».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлялись и обсуждались на следующих конференциях и симпозиумах:

- XIII международная научно-техническая конференция «Радиолокация, навигация, связь», Воронеж, 2007 г.;

- научно-технические конференции профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2007, 2008 и 2009 г.;

- научно-технические конференции СПбНТОРЭС, посвящённые Дню радио, С-Петербург, 2008 и 2009 г.;

- международные симпозиумы по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии, С-Петербург, 2007 и 2009 г.;

- конференция «Научно-технические проблемы в промышленности», посвященная 100-летию ФГУП «НИИ «Вектор», С-Петербург, 2008 г.

Публикации. По теме работы опубликовано 13 научных работ, из них 7 статей (6 статей опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК) и 6 публикаций в материалах конференций.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы, включающего 51 наименование, и приложения. Основная часть работы изложена на 119 страницах машинописного текста. Приложение насчитывает 7 страниц. Работа содержит 88 рисунков и 8 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении определено направление исследований, обоснована их актуальность, сформулирована цель диссертационной работы, отмечена её практическая значимость, дан краткий обзор содержания работы.

В первой главе представлена модель трёхэлементной АР, приведена модель наблюдаемых данных и сформулирована решаемая задача.

Однозначное определение двумерных УК - пеленга и угла места радиопеленгатором с круговой зоной действия возможно при использовании трёхэлементной АР, состоящей из идентичных ненаправленных ЭАР. С целью равномерной по пеленгу точности пеленгования ЭАР расположены в вершинах равностороннего треугольника.

При условии узкополосности присутствующих в полосе настройки ПРПУ сигналов для малобазовой АР модель отсчётов комплексных огибающих ВП каналов ПРПУ, образованных квадратурными составляющими, выглядит следующим образом:

к

х^(0 = Яе(х1а(0) + ]1т(х1а(0), *1вС0 = ЛвС0+ £ 8* (*-т)-«Н °-к,

к=1

/ = 1...1Ч-Р, а = 1...3 (1),

где: N и Р - целые, а - номер канала ПРПУ (и соответствующего ЭАР),Т1а(0 - отсчёты реализации белого гауссовского шума, - реализация к-го сигнала в 1-ом канале РПУ, К - количество сигналов в полосе настройки, т - ин-

тервал дискретизации, Ф к - фазовый сдвиг несущей к-то сигнала в а-ом

канале ПРПУ относительно 1-го канала. Фг к = О, Ф 2к = 2%А /1 ■ сов(<р4) ■ со5(вк), Ф3к=2жЛ/1- соБ((рк - л / 3) ■ соз(0А),

где X - длина волны; / - расстояние между ЭАР.

С целью разделения присутствующих в полосе настройки сигналов по частоте используется частотно-временное представление наблюдаемых дан-

N .

ных (1): = + , ¿ = 0...Ы-1, /7 = 0...Р-1,

е=1

где ха - спектрограмма наблюдаемых данных в а-ом канале, N - размер ДПФ, Р - количество спектральных функций, \у(/) - взвешивающая временная оконная функция.

Из свойства линейности преобразования Фурье следует:

хо о> р)=Ё с>Фа'к к ('> р) +ти ^ р)' к=\ N

81 к с. р)=Е;+,2га'/141.

где $1к(г,р) - представление к-то

сигнала в спектрограмме первого канала ПРПУ, г\а({,р) - составляющая реализации шума в спектрограмме о-го канала. Отсчёты спектрограмм по временной координате объединены в вектор: К ]Ф

*а(0 = Хе а' \к(!) + 1\а(г), ви(0 = (8и(1,0),...18ц(1,Р-1))> к=1 ' ' '

Чв(0 = (пв0",0),...,Т1в(1,Р-1)). (2)

Так как полоса каналов ПРПУ на порядки превышает ширину спектра

сигналов §к и ширину главного лепестка спектра оконной функции \у(7), то

при наличии шума полагается, что представления сигналов в спектрограмме

занимают ограниченные интервалы на дискретной шкале частот:

в, , (Л = 0, г<1 , vг>z, , ; [г ,,г , 1 - частотный интервал, в кото-Ус4 7 ' нач,/с кон,к' нач,/с' кон,А: -1 к '

ром присутствует к-ый сигнал.

Задача сводится к обнаружению присутствующих в наблюдаемых данных

(1) сигналов, определению положений сигналов на оси частот [г ,,/ , ] и

НЗ-Ч ,/с кон,/с

УК их ИРИ при априорно неизвестных уровнях, формах сигналов, неизвестном уровне присутствующего в наблюдаемых данных аддитивного гауссовского шума. Помехами для сигнала являются также присутствующие в полосе обзора сигналы, спектры которых могут перекрывать спектр данного.

Рис. 1. Спектрограмма ВП канала ПРПУ

Вторая глава посвящена обзору существующих алгоритмов совместного обнаружения и определения УК ИРИ в широкой полосе обзора. Представлены результаты обработки модели наблюдаемых данных (1) при трёхэлементной АР (см. рис. 1) по существующим алгоритмам, таким как ESPRIT, MUSIC, метод максимального правдоподобия.

Показано, что при наличии в полосе обзора сигналов с перекрывающимися спектрами совместное обнаружение и достоверное определение УК ИРИ на основе ESPRIT-подхода при трёхэлементной АР невозможно. Для обеспечения заданной разрешающей способности по частоте и вследствие априорно неизвестных положений сигналов на оси частот, ширины их спектров определение УК по методу MUSIC, методу максимума правдоподобия и по фазовому методу производилось на основе анализа реализации наблюдаемых данных в каждом частотном отсчёте (ЧО) спектрограмм (2), для которого принято решение о наличии сигнальных составляющих.

Методы MUSIC и максимума правдоподобия требуют численного поиска, поэтому не реализуемы в реальном масштабе времени при одновременном обзоре в широкой полосе частот и не работоспособны при перекрытии спектров более двух сигналов. Кроме того, метод MUSIC не применим при наличии в ЧО коррелированных составляющих сигналов двух ИРИ. Определение УК по фазовому методу в ЧО, в которых присутствуют составляющие более одного сигнала, также ведёт к недостоверным оценкам УК.

Точность определения УК ИРИ по рассмотренным методам соответствует потенциальной границе Крамера-Рао, но только при отсутствии перекрытия спектра сигналов. Реализация фазового метода в реальном масштабе времени не требует существенных вычислительных ресурсов, но с целью исключения недостоверных оценок УК по фазовому методу требуется предварительное определение ЧО, не содержащих составляющих более одного сигнала.

Третья глава посвящена разработке и исследованию алгоритма совместного обнаружения и фазового оценивания УК ИРИ при одновременном обзоре в широкой полосе частот для трёхэлементной АР.

Структурная схема алгоритма представлена на рис. 2. Исходными данными алгоритма являются отсчёты комплексных огибающих ВП линейных трактов приёмника (ЛТП), образованных АЦП и квадратурными преобразователями (КП). Далее выполняется преобразование наблюдаемых данных в частотно-временное представление, оценивается уровень шума, производится обнаружение частотных составляющих сигналов; определяются ЧО, в которых присутствуют составляющие одного сигнала; на основе проверки принадлежности составляющих в соседних ЧО одному сигналу формируют-

Л Л Л Л

ся оценки частотных интервалов сигналов [iHmk,iK0Hk] и оценки УК {tp^,9^} фазовым методом.

V \|/

ЛТП

ЛТП

ЛТП --

РПУ

э

Плата ЦОС

Алгоритм

БПФ

т—

!_ Оценка -^/,-1

уровня '' шума

БПФ

^-

!— Оценка

Оценка уровня шума

БПФ

Оценка уроаня шума

ПУ1

я ю О

! О а Р4

5 о

5 и

а ч

« °

м о

О. ы

в! 3

К О

I * I 8

я §

I §

Рис. 2. Структурная схема алгоритма

Для определения уровня шума в каналах разработана устойчивая при ЗПО до 80% квантильная оценка уровня шума по цензурированной выборке отсчётов ("цензурированная квантильная оценка" - ЦКО) периодограммы Бартлетта (ПБ), отсчёты которой Ва(г) =)| ха(г)||2 /Р.

Разработанная ЦКО формируется следующим образом:

1) Определение выборочного квантиля отсчётов порядка у1 (л1 =//-у1);

2) Расчёт порога цензурирования А^ ■ ;

3) Определение порядка у2 максимального выборочного квантиля, не превышающего порог цензурирования А^ ■ ;

4) Расчёт порядка квантиля уЗ = ^ • у2 , 1;

5) Формирование ЦКО уровня шума, как значения $ 3 (яЗ = Лг-уЗ), умно-

Л

женного на коэффициент пропорциональности: ¿"¿ко = А3 ■ . Относительная ошибка ЦКО:

-^Ц - Ч VI))) -1 [,

где г - доля содержащих сигнальные составляющие 40 в спектрограммах, т. е. ЗПО; - функция распределения нормированного к уровню шума отсчёта

ПБ. При выводе Р|(у использована следующая модель отсчётов спектрограмм:

[¿>р, сигнал отсутствует

5р + ар, сигнал присутствует :

где 5р и ар- независимые комплексные нормально распределённые центрированные случайные величины с СКО 5и ц-8 соответственно; тогда при 14» 1 и 2Р » 1 производится аппроксимация:

где Ф(-)— интеграл вероятности, q - отношение "сигнал/шум".

Выбор параметров ^О'^Ю'^СЬ^ЗО произведён по минимаксному критерию при неизвестных qur, д = 0...10б, = 0...0.8:

max = min max Elvl,Ai,Aj,Ai,q,r,v)\ ,

re[0,0.8], V ,lP vUi, re[0,0.8], 4 1 2 3 V

9=0...106 A2'A3 q=0..A06

т. е. при требовании минимума максимальной относительной ошибки ЦКО уровня шума при любой возможной ЗПО от 0 до 80% и при любых отношениях "сигнал/шум" от 0 до 106.

Получены значения оптимальных по минимаксному критерию параметров vlg, 4 о >^20 >^30 Д®1 различного количества Р спектральных функций в спектрограммах. При Р = 20, относительная ошибка ЦКО уровня шума не превосходит 4,3%. При исследовании ЦКО по имитационным моделям наблюдаемых данных (1) относительная ошибка ЦКО не превосходила 3%. При применении ЦКО уровня шума к реальным выходным процессам ПРПУ в условиях различной ЗПО установлено соответствие ЦКО визуальной оценке.

В работе показано, что используемая в настоящее время медианная оценка уровня шума и, в общем случае, квантильные оценки обладают большими относительными ошибками в условиях сложной сигнально-помеховой обстановки при высокой ЗПО. Предложен способ оценки уровня небелого шума, основанный на применении ЦКО к различным частотным интервалам и интерполяции полученных оценок.

При использовании модели наблюдаемых данных (1) для каждого г-го ЧО справедливы три гипотезы: Н0;- - отсутствуют сигнальные составляющие, Н1; -присутствует составляющая одного сигнала, Н2(- - присутствуют составляющие двух и более сигналов.

U0;:Xa(i) = 4a{i),

Hl;.;Xa(0 = eJ^su(0 + na(0,

j® t

Ш,:хв(0= Je а'Ч*(0+Л«(0,

к=1

где /{(f) — количество сигналов, составляющие которых присутствуют в г-ом ЧО спектрограммы.

Для обеспечения заданной разрешающей способности по частоте и по причине априорно не известной ширины спектров обнаруживаемых сигналов производится обнаружение сигнальных составляющих в каждом ЧО по правилу энергетического обнаружения с применением критерия Неймана-Пирсена:

B(z) > а => HlivH2[-, В(;) < а =>№),., (3)

* 1 л л

1 7 9 л л

где В(0 = -г У,> ЦКО уровня шума в а-ом канале; НО-, Н1-и а=\

Л

Ш^- решения в пользу соответствующих гипотез, а— порог обнаружения.

Для 40, в которых по (3) обнаружены сигнальные составляющие, производится проверка наличия составляющих нескольких сигналов:

01т<уб2/Р а Л2(г)<ал =>Н1,-; иначе => Н2,-, (4)

•• -к

где т = > " " р--усредненная по каналам мощность реализации наблюем 1 зр

■ ип п V (1!*а(г')Ц2/Р-т)2 , даемых данных в 1-ом ЧО; О = > "ч " ----дисперсия выборки из

а=1 3

трёх величин, являющихся мощностями реализаций наблюдаемых данных г-го

ЧО в каналах; <52 = ^ ^ <5^ ; А^О) - второе по величине собственное число корреляционной матрицы И с(¿) нормированных к уровню шума наблюдений в

пороги принятия решения у и а^ устанавливаются по заданной вероятности

ошибочного решения о наличии в ЧО составляющих нескольких сигналов.

Правило принятия решения (4) разработано для случая априорной неопределённости коэффициента корреляции составляющих различных сигналов, которые могут присутствовать в ЧО. На рис. 3 линиями уровня показаны

л

вероятности принятия решения в пользу Н2., принятого на основе анализа собственных чисел (рис. З.а)

Я2(0>ал =>Н2; (5)

и на основе анализа дисперсии мощностей наблюдаемых данных в ЧО (рис. З.б)

0/т>г-32/Р => Н2;. (6)

Графики получены при коэффициенте корреляции присутствующих в ЧО составляющих двух сигналов равном 0.4, при фиксированных УК ИРИ одного сигнала (рх = 180° и в] = 40°, уровнях составляющих сигналов в данном ЧО д$) = д2(1) = \0; УК ИРИ второго сигнала обозначены на осях. 9^(0 Н Iе! ¿(0|Р - отношение средней мощности составляющей к-го сигнала в г-ом ЧО к мощности шума (ОСШ). При уменьшении коэффициента кор-

л

реляции сигнальных составляющих вероятность решения Н2г- по (5) возрастает,

Л

при увеличении возрастает вероятность решения Н2; по (6). Не зависимо от значения коэффициента корреляции сигнальных составляющих вероятность

л

принятия решения Н2(. по (4) возрастает при увеличении мощностей сигнальных составляющих и при увеличении углового расстояния между ИРИ.

Рис. 3. Зависимость вероятности принятия решения о наличии в 40 составляющих более одного сигнала от УК ИРИ второго сигнала при фиксированных УК ИРИ первого

Представленные в работе результаты применения правила (4) к записям реальных сигналов свидетельствуют, что решение о наличии более одного сигнала принималось для 40, содержащих боковые спектральные составляющие соседних по частоте сигналов, и для 40, в которых присутствуют немодулиро-ванные несущие (коррелированные сигналы) нескольких вещательных станций.

Помимо правила принятия решения о наличии в 40 спектрограмм составляющих более одного сигнала в третьей главе представлено правило принятия решения о наличии составляющих более одного сигнала в отсчёте спектральной функции.

Для 1-го и _/-го 40 спектрограмм, в каждом из которых присутствуют составляющие одного сигнала, возможны две гипотезы: НА- - 40 содержат

составляющие одного и того же к-то присутствующего в наблюдаемых данных сигнала, Н40 содержат составляющие разных к-го и т-го сигналов.

Н\у: ха(0 = е^8и(/)+ла(0, хаа) = еЗФа'\А0-)+1Ш),

Н2у. хл(0 = е]Фа^и(0+1Ь(0, Ха(/) = ^Фа'т\т(.Л+ЧаиУ

Для рассматриваемых 40 формируются оценки фазовых сдвигов между ЭАР несущей радиочастоты присутствующих в данных 40 сигнальных составляющих:

Ф2(0=агё(<х2(0,х1(г)>), Ф3(0=а^(< ХзОО.х^/) >),

Ф26') =агВ(< х2(7),х,0') >), Ф36')=агЕ(< ^(Л^О) >)>

В работе показано, что разности оценок фазовых сдвигов между соответствующими ЭАР

ДФ2.. =Ф2л(0-Ф2О) и ДФ3.. =Фз(0-Ф3л(У)

являются коррелированными случайными величинами с коэффициентном корреляции 0.5, и при превышающем порог обнаружения (3) уровне спектральных составляющих их закон распределения можно считать нормальным. С целью декорреляции производится линейное преобразование:

=Ч>//+АфЛ3//' Ф-/,=ЛфЛ2ГЛ%"

При Ф+;у и Ф_у - независимые центрированные гауссовские

случайные величины:

Я1г

где Л^/Ид,, 8Ы )- случайная величина, распределённая по нормальному закону со средним ты и СКО 8ы; 8. = 1 + , * В случае Я2,- наличия

Л дар ^лш

в рассматриваемых 40 составляющих разных сигналов либо Ф ^ имеет математическое ожидание, обусловленное разностью фазовых сдвигов:

Н2г- ф+у =ф2(0-ф2(у)+ф3(0-ф3а)+^..(0,^д),

Ф-у = ф2 (0 - ф2 и) - фз (0 + фз С/) + (°> ^д) >

где <5, = . ^ + * . Проверка наличия в двух ЧО составляющих одного

О?

и того же сигнала сводится к проверке наличия нулевого математического ожидания у любой из двух независимых гауссовских случайных величин и

Ф_гу, аналогичной правилу обнаружения сигнала неизвестной формы по критерию Неймана-Пирсена в случае выборки из двух наблюдаемых отсчётов.

(Ф+гу ^8а)2+(Ф^./8а)2 > => Я2.,

Л Л

где /Л- и Н2у - решения в пользу соответствующих гипотез, порог принятия решения р выбирается по заданной вероятности верного принятия решения о наличии в двух ЧО составляющих одного и того же сигнала. Правило (7) является оптимальным по критерию минимума вероятности ошибочного решения о наличии составляющих одного и того же сигнала при заданном уровне вероятности верного решения.

Участвующие в формировании <5Д ОСШ и д(у') неизвестны. Их эффективными состоятельными оценками являются нормированные к уровню шума значения соответствующих ЧО суммарной по трём каналам ПБ:

?*(О=Е11МОИ2/зр//2,

а-\

Л

в данной работе в качестве оценки уровня шума 52 используется ЦКО.

На рис. 4.а представлена вероятность верного принятия решения по (7) о наличии составляющих разных сигналов с близкими УК в г'-ом и у'-ом ЧО

л

Н2-- \Н2ц в зависимости от ОСШ.

Рис. 4.а. Зависимость вероятности принятия верного решения о наличии в двух ЧО со ставляющих разных сигналов от ОСШ со ставляющих. <рк =180°, <рт =185°.6к =20°. вт = 40°, 1/Х = 0.4

Рис. 4.6. Зависимость вероятности принятия верного решения о наличии в двух ЧО составляющих разных сигналов от УК ИРИ одного из сигналов. <рк = 180°, вк = 45°, 9*6) - Ю, = Ю, 1/Х = 0.4

р(Н2у |

На рис. 4.6 представлена вероятность верного решения Н2у | Н по (7) в

зависимости от УК ИРИ второго сигнала при фиксированных УК ИРИ первого. Оценкой положения £-го сигнала на дискретной оси частот спектрограмм

л л

является частотный интервал [г1ИЧ к, укт к ], для которого выполняется условие:

Vг' * С,к .' < С,к Ни 3/ > I, у < : Я1/ л НИ] (8)

т. е. внутри которого присутствуют расположенные не дальше интервала 7УД ЧО, для которых принято решение о наличии составляющих одного и того же сигнала. Интервал Nд следует устанавливать равным возможному расстоянию на дискретной оси частот между соседними спектральными составляющими реальных сигналов. В диапазоне коротких волн NA выбирается

соответствующим полосе 500 Гц.

Оценки фазовых сдвигов несущей к-го сигнала между ЭАР формируются из частотно-временного представления наблюдаемых данных (2) с учё-

том только тех 40 в частотном интервале сигнала, для которых принято решение о наличии составляющих данного сигнала:

Ф

а,к

=аг§

'кон,к

I

<ха(0,х,(0>

•=■ Л Э •■ •<; А 1 'нач,к ^'^конк'

Н1;

т^нц

, а = 2,3.

Производится фазовое оценивание УК ИРИ к-го сигнала: (рк = а1ап(Ф^ -Ф*2к/2,43 Ф3к / 2),

в,

(9)

^ агссоз(у(2 Ф}к - Фгк )2 / 3+ Ф2/) / 2л1I Л.

В работе показано, что точность оценки УК по (9) соответствует потенциальной границе Крамера-Рао в случае отсутствия перекрытия спектра к-го сигнала спектрами других сигналов. Появление помех со спектрами, перекрывающими спектр сигнала, ведёт к увеличению СКО оценок УК ИРИ сигнала, при этом математические ожидания оценок соответствуют УК ИРИ.

На рис. 5 представлены результаты обработки имитационной модели наблюдаемых данных (1) по разработанному алгоритму (см. рис.3), включающему ЦКО уровня шума, правила (4) и (7), оценки УК (9) при следующих параметрах модели: N=4096, Р=20, 1/т=160 кГц, IIХ=1/3, длительность наблюдаемых данных 0.5 с. Номера ЧО в полосе пропускания ЛТП шириной 100 кГц пересчитаны в соответствующие частоты, обозначенные на осях абсцисс, относительно центральной частоты настройки ПРПУ. На рис. 5. б приведена ПБ реализации наблюдаемых данных, обозначены участки на оси частот, содержащие составляющие нескольких сигналов. На рис. 5.а показаны истинные УК ИРИ присутствующих в наблюдаемых данных сигналов (пеленги - кружками, углы места — крестиками). Отрезками, положения которых по оси частот соответствуют определённым по (8) интервалам сигналов на оси частот, обозначены оценки УК ИРИ обнаруженных сигналов (пеленги с кружками в концах, углы места - без). Перекрытие спектров сигналов (рис. 5.а) не ведёт к недостоверным оценкам УК (рис. 5.6). В случае полного перекрытия спектра сигнала составляющими других сигналов оценки УК его ИРИ не выносятся (см. сигналы в районе 1200-го и 3200-го ЧО), но принимается решение о наличии составляющих нескольких сигналов в соответствие с (4).

Помимо обработки модели наблюдаемых данных в работе представлены результаты применения разработанного алгоритма (см. рис. 2) к записям реальных ВП трёхканального ПРПУ, при этом оценки УК присутствующих в полосе настройки ИРИ соответствовали УК, определённым по географическим координатам передатчиков, независимо от наличия соседнего либо перекрывающего по частоте сигнала.

частота, Гц 4

Рис. 5. Частотно-азимутальная, угломестная панорама и ПБ модели ВП ПРПУ

Программная реализация алгоритма в масштабе реального времени произведена в макете обнаружителя-пеленгатора, состоящем из ЭВМ с ЦП "Репйит-Ш 800 МГц", платы цифровой обработки сигналов, используемой в качестве трёхканального КП и АЦП, трёхканального когерентного ПРПУ, подключённого через трёхкоаксиальный кабель к активным вибраторным антеннам. На рис. 6 представлен снимок дисплея макета при настройке на участок декаметрового диапазона вещательных станций в режиме отображения частотной и частотно-азимутальной панорамы. Длительность наблюдаемых данных 0.5 с, полоса пропускания трактов ПРПУ ЮОкГц, шаг сетки частот 40 Гц (N=4096, Р=20), расстояние между ЭАР 6.4 м, центральная частота настройки ПРПУ 11700 кГц. Номера ЧО пересчитаны в соответствующие значения частот.

Рис. 6 иллюстрирует, что положения сигналов на оси частот соответствуют визуальной оценке, в том числе у перекрывающихся по частоте сигналов (см. сигналы в районе 11680 кГц и 11745 кГц).

Инструментальная точность пеленгования макета измерена с использованием имитатора ИРИ и составила 3°; эксплуатационная среднеквадратиче-ская ошибка пеленгования, измеренная без отбраковки оценок пеленга по сигналам более 90-ста вещательных станций, составляет 5°. Вынесенные обнаружителем-пеленгатором оценки углов места ИРИ декаметрового диапазона, расположенных на расстоянии 100 - 600 км, соответствуют углам места ИРИ средней зоны.

Л ............... ............... ........\.................\................. .................|.................|.................|.................

.......4-"................:................. .......■............................1.................

.................{............... .................1............... .................».............. Г11......1-."."- ........|.................<................. ................|.................|.................\............ .................|.................>.................')................. .................т.................;..........частота, Гц

11 ею ООО 11870 000 11 880 ООО 1169СООО 11 700 000 «1710 000 1172)000 11ГЭ00О0 11740 000 <| ^ 50 ООО

В работе представлены результаты совместного обнаружения и пеленгования двух ИРИ ППРЧ-сигналов, одновременно присутствующих в диапазоне вещательных станций. Решения о наличии ППРЧ-сигналов принимаются при превышении порога в отсчёте гистограммы пеленгов ИРИ, обнаруженных по разработанному алгоритму.

Предложен удобный для обработки формат сохранения результатов обнаружения-пеленгования в режиме сканирования, определены характеристики макета, вынесены практические рекомендации для использования макета, предложена и реализована методика калибровки приёмных трактов.

Загруженность ЦП ЭВМ макета составляет 40%, при существующей элементной базе возможно увеличение ширины полосы одновременного обзора в масштабе реального времени до 1 МГц при использовании одной ЭВМ с сохранением разрешающей способности по частоте 100 Гц, точности пеленгования и чувствительности обнаружителя-пеленгатора.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1. Разработана и исследована устойчивая к ЗПО квантильная оценка уровня шума по цензурированной выборке отсчётов ГЕБ с применением минимаксного критерия. В работе оптимальность данной оценки обеспечивается в диапазоне ЗПО от 0 до 80%, при этом относительная ошибка оценки не превышает 4%. Показано, что относительная ошибка данной оценки в условиях высокой ЗПО на порядок меньше относительных ошибок квантильных оценок и, в частности, используемой в настоящее время медианной оценки.

2. Разработано и исследовано правило принятия решения о наличии составляющих более одного сигнала в 40 спектрограмм ВП каналов ПРПУ, работоспособное при любой корреляции составляющих разных сигналов, возможно присутствующих в ЧО. Применение данного правила позволяет получить информацию о частотах, на которых присутствуют составляющие более одного сигнала и избежать формирования УК ИРИ методами, не допускающими перекрытия спектров сигналов. Представлены зависимости вероятностей решения по данному правилу от отношения "сигнал/шум" и УК ИРИ.

3. Разработано и исследовано правило принятия решения о наличии составляющих одного и того же сигнала в различных ЧО спектрограмм, оптимальное по критерию минимума вероятности ошибочного решения о наличии составляющих одного и того же сигнала при заданном уровне вероятности верного решения. Разработанное правило позволяет в условиях сложной сигнально-помеховой обстановки определить положения сигналов на оси частот при близком (по сравнению с шириной спектров сигналов) расположении спектров сигналов либо их перекрытии.

4. Разработано и исследовано правило формирования оценок фазовых сдвигов сигналов между ЭАР, которое позволяет сформировать достоверные оценки УК ИРИ фазовым методом при перекрытии спектров сигналов и априорно неизвестном положении сигналов на оси частот. Оценки УК в соответствии с фазовым методом выносятся в явном виде без численного поиска, что допускает его реализацию в масштабе реального времени при одновременном обзоре в широкой полосе частот.

5. В макете обнаружителя-пеленгатора программно реализован алгоритм совместного обнаружения и фазового оценивания УК при одновременном обзоре в широкой полосе частот. Проведены полевые испытания макета, определены его характеристики, предложена методика калибровки, произведено совместное обнаружение и пеленгование ИРИ с ППРЧ. По итогам испытаний разработаны практические рекомендации для включения обнаружителя-пеленгатора в состав мобильных комплексов радиомониторинга в качестве поста совместного обнаружения и оценки направлений ИРИ. Результаты испытаний свидетельствуют о работоспособности разработанного алгоритма в условиях сложной сигнально-помеховой обстановки, в том числе при перекрытии спектров сигналов.

Опубликованные научные работы по теме диссертации в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Чемаров А. О. Обнаружитель-пеленгатор с широкой полосой одновременного обзора на трехэлементной антенной решетке // Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника. 2008. Вып. 2. С. 52-57.

2. Чемаров А О. Широкополосный мобильный поисковый радиопеленгатор // Известия высших учебных заведений России. Рад иоэлектроника. 2008. Вып. 6. С. 53-60.

3. Чемаров А. О., Шевченко М. Е. Алгоритм фазового пеленгования в широкой полосе обзора с проверкой перекрытия сигналов по частоте // Цифровая обработка сигналов, 2009, №1,с.11-17.

4. Чемаров А. О. Мобильный поисковый радиопеленгатор с широкой полосой одновременного обзора для сложной сигнально-помеховой обстановки // Вопросы радиоэлектроники. Серия общетехническая. 2009. Вып. 2. С. 55 - 64.

5. Чемаров А. О. Квантильная оценка уровня шума периодограммы Бартлетга для частотного радиомониторинга // Известим высших учебных заведений России. Радиоэлектроника. 2009. Вып. 1. С. 61-66.

6. Чемаров А. О. Квантильная оценка уровня шума периодограммы Бартлетга для частотного радиомоштгоринга // Информация и космос, 2009, № 3, с. 30-35.

и в других изданиях

7. Чемаров А. О. Устойчивая оценка уровня шума для систем радиомониторинга // Известия государственного электротехнического университета. 2008. № 1. С. 35-39.

8. Устойчивая оценка уровня шума для систем радиомониторинга / А. О. Чемаров // Радиолокация, навигация, связь: Сборн. докл. ХШ Междунар. Науч.-техн. конф., Воронеж, 17-19 апр. 2007 / Изд. Воронежского НИИ Связи, 2007, Т.З. С 2168-2173.

9. Метод совместного частотного обнаружения и оценивания угловых координат при трёхэлементной антенной решётке / А. О. Чемаров // 7-й международный симпозиум по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии: Труды симпозиума, Санкт-Петербург, 26-29 июня 2007 / Изд. СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2007, С. 141-144.

10. Обнаружитель-пеленгатор с широкой полосой одновременного обзора и приетшем решения о наличии нескольких сигналов на одной частоте при трёхэлементной антенной решётке / АО. Чемаров // 63-я Научно-техническая конференция СПбНТОРЭС, посвя-щённая Дню радио, С-Пегербург, апр. 2008 / Изд. СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2008, С. 40-42.

11. Мобильный поисковый радиопеленгатор с широкой полосой одновременного обзора / А О. Чемаров, И. В. Немировский // Научно-технические проблемы в промышленности: Труды конференции., С-Пегербург, 12-14 ноября 2008 / Изд. ООО "Политехника-сервис", 2008, С. 82-86.

12. Цензурированная квантильная оценка уровня шума периодограммы Бартлетга для частотного радиомониторигна / А. О. Чемаров // 64-я Научно-техническая конференция СПбНТОРЭС, посвященная Дню радио, С-Петербург, апр. 2009, Изд. СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2009. С. 21-22.

13. A. Chemarov, "The Signal Detection/Direction Finding Algorithm in a Wide Simultaneous Scan Band" (Алгоритм обнаружения сигналов и оценки направлений при одновременном обзоре в широкой полосе), 8-th International Symposium on Electromagnetic Compatibility and Electromagnetic Ecology, EMC-2009, p. 71-74, St-Petersburg, Russia, June 16-19,2009.

Подписано в печать 21.12. 09. Формат 60*84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 112.

Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии Издательства СПбГЭТУ "ЛЭТИ"

Издательство СПбГЭТУ "ЛЭТИ" 197376, С.-Петербург, ул. Проф. Попова, 5

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ. АНТЕННАЯ РЕШЁТКА.

1.1. Антенная решётка.

1.2. Модель наблюдаемых данных.

ГЛАВА 2. ОБЗОР АЛГОРИТМОВ СОВМЕСТНОГО ОБНАРУЖЕНИЯ И ОЦЕНИВАНИЯ УГЛОВЫХ КООРДИНАТ СИГНАЛОВ.

2.1. ESPRIT-алгоритм при трехэлементной АР.

2.2. Методы с частотной селекцией.

2.2.1 Энергетическое обнаружение.

2.2.2. Обнаружение по собственным числам.

2.2.3. Исследование методов обнаружения.

2.2.4. Фазовый метод определения угловых координат.

2.2.5. Метод MUSIC.

2.2.6. Метод максимума правдоподобия.

2.2.7. Исследование рассмотренных методов.

2.2.8. Обобщение рассмотренных методов.

2.3. Применение рассмотренных методов при широкой полосе наблюдаемых данных.

2.4. Выводы.

ГЛАВА 3. АЛГОРИТМ СОВМЕСТНОГО ОБНАРУЖЕНИЯ И ФАЗОВОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ УГЛОВЫХ КООРДИНАТ СИГНАЛОВ В ШИРОКОЙ ПОЛОСЕ ОДНОВРЕМЕННОГО ОБЗОРА.

3.1. Оценка уровня шума.

3.1.1. Оценки для спектральной функции.

3.1.2. Квантильная оценка для периодограммы Бартлетта.

3.1.3. Квантильная оценка по цензурированной выборке отсчётов периодограммы Бартлетта.

3.1.4. Оценка уровня небелого шума.

3.2. Правило принятие решения о наличии составляющих более одного сигнала в частотном отсчёте.

3.2.1. Правило для отсчёта спектральной функции.

3.2.2. Правило для отсчёта спектрограммы.

3.3. Правило принятия решения о наличии составляющих одного и того же сигнала в частотных отсчётах.

3.4. Определение частотных интервалов сигналов и угловых координат источников.

3.5. Выводы.

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ МАКЕТА ОБНАРУЖИТЕЛЯ-ПЕЛЕНГАТОРА.

4.1. Состав.

4.2. Калибровка.

4.3. Интерфейс.

4.4. Точность пеленгования.

4.5. Пеленгование сигналов с ППРЧ.

4.6. Сканирование.

4.7. Характеристики.

Задача радиомониторинга заключается в обнаружении сигналов от источников радиоизлучения (ИРИ) и определения несущих частот излучения и направления прихода электромагнитных волн: азимута и угла места. Оценка азимута позволяет определить азимут соответствующего ИРИ, а оценка угла места свидетельствует о дальности расположения ИРИ декаметрового диапазона.

К современным системам радиомониторинга предъявляется требование высокой скорости обзора частотного диапазона, для выполнения которого применяются широкополосные радиоприёмные устройства (РПУ) панорамного обзора [1,2] с полосой пропускания существенно превышающей ширину спектра обнаруживаемых сигналов.

Для обеспечения высокой скорости обзора частотного пространства также требуется применение реализуемых в масштабе реального времени алгоритмов совместного обнаружения и оценивания параметров сигналов от ИРИ, при которых обнаружение и определение угловых координат (УК) ИРИ производится на основе обработки одних и тех же принятых данных. Такие алгоритмы можно разработать с применением фазового метода пеленгации ИРИ.

При совмещении [3 - 6] процессов обнаружения и пеленгования в одном устройстве устраняется потребность синхронизации между традиционно используемыми [7] при радиомониторинге обнаружителем и пеленгатором [8], и сокращается количество аппаратных средств.

Для задач радиомониторинга характерна высокая степень априорной неопределенности сигнально-помеховой обстановки, которая заключается:

• в неизвестном числе сигналов от ИРИ и уровней принимаемых сигналов;

• в неизвестном значении УК, частот излучения и ширины спектра соответствующих сигналов;

• в возможном перекрытием спектров сигналов по частоте;

• в возможном наличии сигналов от кратковременных ИРИ и сигналов с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты (ППРЧ);

• в неизвестном уровне шума;

• в неизвестной загруженности полосы обзора (ЗПО).

Существующие алгоритмы [9 - 11] определения УК ИРИ в широкой полосе одновременного обзора разработаны при допущении об отсутствии перекрытия спектров сигналов, хотя в настоящее время это условие редко выполняется из-за сложной радиоэлектронной обстановки [1].

Алгоритмы, в которых процессы обнаружения и пеленгования разделены, не всегда позволяют получить достоверные оценки угловых координат и частот кратковременных ИРИ и сигналов с ППРЧ.

Поэтому для систем радиомониторинга, функционирующих в сложных условиях сигнально-помеховой обстановки, задача разработки алгоритма совместного обнаружения и пеленгования УК ИРИ при панорамном обзоре является актуальной. Решению данной задачи посвящена представленная работа.

Представленный в работе алгоритм предназначен для трехканального радиоприемного устройства, подключенного к трём антеннам.

Известно, что три антенны позволяют однозначно определить двумерные УК ИРИ, обеспечить мобильность и малое время развёртывания обнаружителя-пеленгатора.

Оценки УК ИРИ формируются фазовым методом [12], который не требует существенных вычислительных ресурсов при программной реализации, а оценки УК при трёхэлементной антенной решетке (АР) формируются в явном виде без процедуры численного поиска. Нетребовательность к вычислительным ресурсам особенно важна в, задаче панорамной обработки наблюдаемых данных в масштабе реального времени при одновременном обзоре в широкой полосе частот.

Цель представленной работы заключается в разработке и исследовании реализуемого в масштабе реального времени алгоритма совместного обнаружения и фазового оценивания УК ИРИ при одновременном обзоре в широкой полосе частот при сложной сигнально-помеховой обстановке для мобильного радиопеленгатора с трёхэлементной АР.

Для разделения присутствующих в полосе обзора сигналов ВП РПУ преобразуются в частотно-временную область.

Для достижения поставленной цели рассматриваются следующие задачи

• разработка квантильной оценки уровня шума по цензурированной выборке отсчетов периодограммы Бартлетта (ПБ);

• разработка оценки фазовых сдвигов несущей сигналов между элементами АР, позволяющей сформировать достоверные оценки УК ИРИ фазовым методом при перекрытии спектров сигналов;

• разработка правила принятия решения о наличии составляющих более одного сигнала в частотном отсчёте спектрограмм, допускающее любую корреляцию составляющих различных сигналов, присутствующих в частотном отсчёте;

• разработка правила принятия решения о наличии составляющих одного и того же сигнала в различных частотных отсчётах спектрограмм

Для решения поставленных задач применяются методы цифровой обработки сигналов, теории проверки статистических гипотез, линейной алгебры и статистической радиотехники.

Экспериментальные исследования выполнены методом статистического моделирования, имитационного моделирования и путём визуального анализа результатов обработки по разработанному алгоритму записей реальных сигналов. Проведены испытания макета обнаружителя-пеленгатора, функционирующего в соответствии с разработанным алгоритмом совместного обнаружения и фазового оценивания УК ИРИ.

Внедрение результатов работы осуществлено на ФГУП «НИИ «Вектор» (г. С-Петербург) в проводимых НИР, а также при модернизации изделий предприятия «Жасмин - 2М» и «Жасмин - СПВ».

Основные положения диссертационной работы представлялись и обсуждались на следующих конференциях и симпозиумах:

- XIII международная научно-техническая конференция «Радиолокация, навигация, связь», Воронеж, 2007 г.;

- научно-технические конференции профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2007, 2008 и 2009 г.;

- научно-технические конференции СПбНТОРЭС, посвященные Дню радио, С-Петербург, 2008 и 2009 г.;

- международные симпозиумы по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии, С-Петербург, 2007 и 2009 г.;

- конференция «Научно-технические проблемы в промышленности», посвященная 100-летию ФГУП «НИИ «Вектор», С-Петербург, 2008 г.

По теме работы опубликовано 13 научных работ, из них 7 статей (6 статей опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК) и 6 публикаций в материалах конференций.

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы, включающего 51 наименование, и приложения. Основная часть работы изложена на 119 страницах машинописного текста. Приложение насчитывает 7 страниц. Работа содержит 88 рисунков и 8 таблиц.

4.9. Выводы

С целью проверки работоспособности алгоритма совместного обнаружения и фазового оценивания УК ИРИ в широкой полосе одновременного обзора при трёхэлементной АР был разработан макет обнаружителя-пеленгатора, функционирующий в реальном времени в соответствии с разработанным алгоритмом.

1) Для программной реализации представленного алгоритма в реальном времени достаточно производительности слабой по современным меркам ЭВМ. Использование трёх вибраторных антенн и трёхкоаксиального фидера позволяет развернуть макет в течение 15 мин, что является высоким показателем для мобильных пеленгаторов КВ-диапазона.

2) Были просмотрены различные участки КВ-диапазона шириной 100 кГц, установлено, что разработанный алгоритм обладает хорошей работоспособностью при любой сигнально-помеховой обстановке, в том числе при перекрытии спектров сигналов.

3) Измеренная инструментальная ошибка пеленгования не приводит к существенному уменьшению точности пеленгования реальных сигналов, которая помимо инструментальной составляющей содержит "шумовую" и "ионосферную" составляющие. Эксплуатационная точность пеленгования достаточна для оценки направлений на ИРИ, селекции ИРИ по заданному сектору пространства, сигналы которых присутствуют в широкой полосе одновременного обзора.

4)Произведено пеленгование двух имитаторов сигналов с ППРЧ, одновременно присутствующих в диапазоне вещательных станций.

Разработанный макет прошёл полевые испытания, было подтверждено, что на основе оценок углов места в КВ-диапазоне возможна селекция ИРИ средней зоны (на расстоянии 100-1500 км). Исследования разработанного макета проведены в рамках инициативной НИР ФГУП «НИИ «Вектор» на базе предприятия в Ленинградской области.

Заключение

В работе разработан и исследован алгоритм совместного обнаружения и фазового оценивания УК ИРИ при одновременном обзоре в широкой полосе частот при сложной сигнально-помеховой обстановке для мобильного радиопеленгатора с трёхэлементной антенной решёткой.

Использование трёх ЭАР не позволяет обеспечить высокую точность пеленгования, однако оценки пеленга сигналов могут быть полезны для селекции ИРИ интересующего сектора обзора, оценки угла места - для селекции ИРИ в средней зоне и приближённой оценки дальности в КВ-диапазоне, а малое количество ЭАР обуславливает мобильность и малое время развёртывания обнаружителя-пеленгатора.

Алгоритм позволяет обнаружить ИРИ и сформировать оценки их частоты и угловых координат в условиях априорной неопределенности уровня аддитивного шума, высокой загруженности частотного диапазона, возможным перекрытием спектров- соседних сигналов.

Для обеспечения стабильного уровня вероятности ложной тревоги в алгоритм включена разработанная для условий высокой загруженности частотного диапазона оценка уровня шума. Эта оценка представляет собой квантильную оценку по цензурированной выборке, причем порог цензурирования определяется автоматически на основе анализа принятых данных. Проведенное исследование показало, что оценка является устойчивой даже при 80% ЗПО.

Разработанная по минимаксному критерию оценка уровня шума в широкой полосе рекомендуется к применению в средствах радиомониторинга, вместо используемой медианной и цензурированной медианной оценки. Данная оценка гарантирует стабильное значение вероятности ложной тревоги при обнаружении на фоне шумов по критерию Неймана-Пирсена практически при любой реальной заполненности сигналами просматриваемого частотного диапазона.

С целью селекции присутствующих в полосе одновременного обзора сигналов анализ ВП трёх каналов РПУ панорамного обзора производится в частотно-временной области. На основе разработанного правила принятия решения о наличии составляющей одного сигнала в 40, определяются частоты, на которых присутствует несколько сигналов, и исключаются из формирования оценок фазовых сдвигов сигналов между ЭАР частотные составляющие перекрывающих по частоте сигналов. Интервалы сигналов на оси частот определяются с использованием разработанного правила проверки наличия в частотных отсчётах составляющих одного и того же сигнала. Используемые при фазовом определении УК ИРИ оценки фазовых сдвигов сигнала между ЭАР формируются по реализации наблюдаемых данный в определённом частотном интервале сигнала с исключением ведущих к недостоверным оценкам УК 40, которые содержат составляющие других сигналов.

Реализация разработанного алгоритма не требует существенных вычислительных ресурсов.

Таким образом для типичного в сложной сигнально-помеховой обстановки случая перекрытия спектров сигналов, разработаны используемые для анализа наблюдаемых данных в частотной области правила (3.25, 3.26, 3.29), позволяющие применить нетребовательный при программной реализации к вычислительным ресурсам фазовый метод определения УК.

Достоверность полученных результатов помимо корректности математических выводов, результатов статистического и имитац ионного моделирования подкрепляется исследованием результатов обработки записей реальных сигналов по представленному алгоритму и результатами полевых испытаний макета обнаружителя-пеленгатора.

Результаты данной работы отражены в инициативной НИР ФГУП «НИИ «Вектор», макет прошёл апробацию у заказчика.

Полученные результаты могут быть обобщены на случай четырёх (или более) ЭАР, в этом случае точность пеленгования обнаружителя-пеленгатора может соответствовать требованиям, предъявляемым к пеленгаторам. Так как для реализации функций обнаружения-пеленгования и классификации сигналов в широкой полосе достаточно одной современной ЭВМ и в случае четырёх ЭАР, перспективной является разработка четырёхканального обнаружителя-пеленгатора-классификатора с одновременный обзором в широкой полосе частот.

Интегрирование функций совместного обнаружения, оценки частоты, пеленгования, определения УК и классификации интересующих сигналов в одной ЭВМ при использовании четырёх ЭАР позволит достичь высокой функциональности при малом времени развёртывания и малом количестве аппаратных средств.

1. Рембровский В. Г., Ашихмин А. В., Козьмин В. А. Радиомониторинг: задачи, методы, средства. М.: Горячая линия - Телеком, 2006. — 492 с.

2. Мартынов В. А., Селихов Ю. И. Панорамные приёмники и анализаторы спектра / Под ред. Г. Д. Заварина. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Советское радио, 1980. - 352 е., ил.

3. Зинчук В. М., Якименко С. Ю. Синтез оптимальных алгоритмов многоальтернативного совместного обнаружения и оценки параметров при неизвестных вероятностях появления обнаруживаемых сигналов. Автомат, телемех., 1983, № 2, с. 102,— 114.

4. Тупота В. И., Бегишев М. Р., Козьмин В. А., Токарев А. Б. Совместное обнаружение и оценка информативности побочных электромагнитных излучений. Специальная Техника, № 2,2006. С. 51 56.

5. Трифонов А. Г., Шинаков Ю. С. Совместное различение сигналов и оценка их параметров на фоне помех. М.: Радио и связь, 1986. 264 с.

6. Кукес И. С., М. Е. Сторш. Основы радио-пеленгации. М.: Сов. радио, 1964. 640 с.

7. Применение методов формирования радиоизображений в антенно-вычислительных комплексах радиоконтроля / В. Н. Шевченко // Радиоконтроль. 1999. Вып. 2. С. 3 18.

8. F. Quint, J. Reichert and H. Roos. Emitter Detection and Tracking Algorithm for a Wide Band Multichannel. Direction-Finding System in the HF-Band. Proc. MILCOM 1999, vol.1, pp.212-216. 1999.

9. П.Шевченко M. E. Алгоритм совместного обнаружения и оценивания параметров источников радиоизлучения. // Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника. 2009. Вып. 1. С. 23-30.

10. Фазовые пеленгаторы. Денисов В. П., Дубинин Д. В. Изд. Томского университета систем управления и радиоэлектроники. 2002. 251 с.

11. А. Д. Виноградов, И. С. Дмитриев. Потенциальная точность многоканального пеленгатора с антенной решёткой из ненаправленных невзаимодействующих антенных элементов // Антенны, 2008. Вып. 3 (130). С 60-63.

12. Чемаров А. О. Обнаружитель-пеленгатор с широкой полосой одновременного обзора на трехэлементной антенной решетке // Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника. 2008. Вып. 2. С. 52-57.

13. Способы и алгоритмы оценивания угловых координат в многобазовых пеленгаторах / В. П. Денисов, В. В. Дрогалин, О. В. Меркулов, О. Ф. Самарин, В. С. Чернов // Успехи современной радиоэлектроники. 2005. Вып. 6. С. 3-30.

14. Сергиенко А. Б. Цифровая обработка сигналов. СПб.: Питер, 2003. 608 с.

15. Валлернер Н. Ф., Шувалов В. А. Сигналы с однополосными спектрами. Киев:"Техшка", 1976. 184 с.

16. Радиотехнические системы: Учеб. для вузов / Ю. П. Гришин, В. П. Ипатов, Ю. М. Казаринов и др.; под ред. Ю. М. Казаринова. М.: Высш. шк., 1990. - 496 с. ISBN 5-06000687-5.

17. Jeng-Shiann Jiang and Mary Ann Ingram, "Robust Detection of Number of Sources Using the Transformed Rotational Matrix", IEEE Trans. Signal Proc, 2004л.

18. Richard Roy AND Thomas Kailath, "ESPRIT-Estimation of Signal Parameters Via Rotational Invariance Techniques", IEEE Transactions on Volume 37, Issue 7, July 1989 Page(s):984 995.

19. J. Capon, R. J. Greenfield AND R. J. Kolker, "Multidimensional Maximum-Likelihood Processing of a Large Aperture", Proc. of the IEFE, vol. 55, № 2, pp. 193-211, feb, 1967.

20. R. Roy, A. Paulraj and T. Kailath, "Multiple invariance ESPRIT", IEEE Trans, on Acoustics, Speech and Signal Proc, vol. ASSP-34, pp. 1340-1342, oct. 1986.

21. Чемаров А. О. Обнаружитель-пеленгатор с широкой полосой одновременного обзора на трехэлементной антенной решетке // Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника. 2008. Вып. 2. С. 52-57.

22. Гоноровский И. С. Радиотехнические цепи и сигналы. Учебник для вузов. Изд. 2-е, перераб. и доп. М.: Советское радио, 1971. 672 с.

23. Марпл.-мл. С. JI. Цифровой спектральный анализ и его приложения: Пер. с англ. М.: Мир, 1990.-584 с.

24. R. О. Schmidt, "A signal subspace approach to multiple emitter location and spectral estimation," Ph. D. dissertation. Stanford Univ., Stanford, CA, 1981.

25. В. Г. Радзиевский, В. А. Уфаев. Алгоритмы обнаружения и пеленгования совокупности частотно-неразделимых радиосигналов. Радиотехника, 2005, № 9.

26. Petre Stoica and Arye Nehorai, "MUSIC, Maximum likelihood and Cramer-Rao Bound", IEEE Trans, on Acoustics, Speech and Signal Proc. Vol. 37, № 5, pp. 720-741, may 1989.

27. Устойчивая оценка уровня шума для систем радиомониторинга / А. О. Чемаров // Радиолокация, навигация, связь: Сборн. докл. XIII Междунар. Науч.-техн. конф., Воронеж, 17-19 апр. 2007 / Изд. Воронежского НИИ Связи, 2007, Т.З. С 2168-2173.

28. Чемаров А. О. Устойчивая оценка уровня шума для систем радиомониторинга // Изв. СПбГЭТУ "ЛЭТИ". 2008. № 1. С. 35-39.

29. Чемаров А. О. Квантильная оценка уровня шума периодограммы Бартлетта для частотного радиомониторинга // Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника. 2009. Вып. 1. С. 61-66.

30. Г. Крамер. Математические методы статистики / Под ред. А. Н. Колмогорова. М.:Мир, 1975.-648 с.

31. Pranab К. S. "Asymptotic normality of sample quantiles for m-dependent processes," The Annals of Mathematical Statistics, vol. 39, № 5, pp. 1724 1730. 1968.

32. Чемаров А. О. Квантильная оценка уровня шума периодограммы Бартлетта для частотного радиомониторинга // Информация и космос, 2009, № 3, с. 30-35.

33. Хьюбер П. Робастность в статистике. М.: Мир, 1984. 304 с.

34. Логовин А. И., Харламов П. В. Сравнение эффективности устойчивых алгоритмов оценивания. Научный вестник МГТУ ГА. Серия Радиофизика и радиотехника. № 112. 2007. с. 61-63.

35. Цензурированная квантильная оценка уровня шума периодограммы Бартлетта для частотного радиомониторигна / А. О. Чемаров // 64-я Научно-техническая конференция СПбНТОРЭС, посвященная Дню радио, С-Петербург, апр. 2009, Изд. СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2009. с. 21-22.

36. Богданович В. А., Вострецов А. Г. Теория устойчивого обнаружения, различения и оценивания сигналов. 2 изд., испр. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004. - 320 с.

37. Роберт Седжвик. Фундаментальные алгоритмы на С. СПб.: ДиаСофтЮП, 2003. 672 с.

38. Чемаров А. О., Шевченко М. Е. Алгоритм фазового пеленгования в широкой полосе обзора с проверкой перекрытия сигналов по частоте // Цифровая обработка сигналов, 2009, № 1, с. 11-17.

39. World-wide amateur radio communications Электронный ресурс.: база данных содержит расписание выхода в эфир вещательных станций коротковолнового диапазона. — Режим доступа: http://hfradio.org/swbc/, свободный. — Загл. с экрана. — Яз. англ.

40. A. Chemarov, "The Signal Detection/Direction Finding Algorithm in a Wide Simultaneous Scan Band", 8-th International Symposium on Electromagnetic Compatibility and Electromagnetic Ecology, EMC-2009, p. 71-74, St.-Petersburg, Russia, June 16-19,2009.

41. Чемаров А. О. Широкополосный мобильный поисковый радиопеленгатор // Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника. 2008. Вып. 6. С. 53-60.

42. Чемаров А. О. Мобильный поисковый радиопеленгатор с широкой полосой одновременного обзора для сложной сигнально-помеховой обстановки // Вопросы радиоэлектроники. Серия общетехническая. 2009. Вып. 2. С. 55 64.

43. Чёрный Ф. Б. Распространение радиоволн. Изд. 2-е, доп. И переработ. М.: Сов. Радио, 1972.-464 с.

44. Радзиевский В. Г., Разиньков С. Н. Оценка среднеквадратической ошибки пеленгования радиосигналов по измерениям в решётках вибраторного типа. Радиосистемы. Вып. 92. № 15,2005. с. 65 70.

45. Способы повышения основных показателей качества радиопеленгаторов с трёхэлементными эквидистантными кольцевыми антенными решётками / А. Д. Виноградов //Антенны. 2007. Вып. 12 (127). С. 41 52.

46. Соломоник М. Е., Шатраков Ю. Г., Расин А. М. Корреляционные ошибки УКВ угломеных радиотехнических систем. Под ред. М. Е. Соломоника. М., "Сов. радио", 1973,208 с.