Алгоритмы предварительной обработки сигналов в задаче пассивной моноимпульсной пеленгации

• Автор: Семенова, Марина Юрьевна
• Шифр специальности: 01.04.03
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 135 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. МЕТОДЫ МОНОИМПУ ЛЕСНОЙ ПРЕЛЕНГАЦИИ

ИСТОЧНИКОВ РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ (ОБЗОР)

1.1. Традиционные подходы в моноимпульсной пеленгации

1.2. Определение амплитуд

1.3. Определение нахождения ИРИ в рабочей зоне

1.4. Работа моноимпульсной системы в помеховых условиях

1.5. Выводы по первой главе

ГЛАВА 2. АНАЛИЗ КОНФИГУРАЦИИ МОНОИМПУЛЬСНОЙ

АНТЕННОЙ СИСТЕМЫ

2.1. Анализ конфигурации АС с идентичными гауссовыми ДН
2.2. Анализ конфигурации АС с предварительной аппроксимацией ДН.
2.3. Выводы по второй главе
ГЛАВА 3. МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ ПАССИВНОЙ
ПЕЛЕНГАЦИИ ОДНОГО ИРИ
3.1. Двухэтапный алгоритм пеленгации
3.2. Исследование модификации корреляционного моноимпульсного
метода
3.3. Алгоритм оценки амплитуд на основе предварительной оценки
энергии шума
3.4. Выводы по третьей главе
ГЛАВА 4. МОНОИМПУ ЛЕСНАЯ ПЕЛЕНГАЦИЯ В УСЛОВИЯХ
НАЛИЧИЯ НЕСКОЛЬКИХ ИРИ
4.1. Определение числа ИРИ методом оптимизации для системы
уравнений пеленгации
4.2. Определение числа ИРИ с применением нейросетевой обработки
4.3. Сравнение метода оптимизации для системы уравнений пеленгации с алгоритмом нейросетевой обработки
4.4. Выводы по четвертой главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Решение системы линейных уравнений на основе
разложения матрицы по сингулярным числам
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Взаимная корреляция сигналов с выходов различных
каналов приемной системы
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Выбор оптимальной частоты дискретизации

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы
Задача точного определения координат источника радиоизлучения (ИРИ) малой мощности при наличии сильных аддитивных помех актуальна во многих областях науки и техники (радиолокации, радиоастрономии, радионавигации и связи) и представляет собой одно из важных направлений исследований современной радиофизики. Для развития этой области науки фундаментальными являются работы М.И. Сколника, Я.Д. Ширмана, В.И. Тихонова, Ч. Кука, М. Бернфельда, Ю.С. Лезина, Ю.Г. Сосулина, Ю.М. Казаринова, П.А. Бакулева, М.И. Финкельштейна, А.И. Леонова, К.И. Фомичева, С.М. Шермана и многих других ученых.
При определении положения источника излучения традиционно используют методы (дальномерный, разностно-дальномерный, триангуляцию), которые требуют наличия как минимум двух антенных систем. В частности, для применения разностно-дальномерного метода необходимо знание временной задержки принятого сигнала при многоканальном распространении и наличие набора приемных устройств, разнесенных в пространстве и синхронизованных по времени. Для достижения высокой точности определения координат требуются значительные расстояния между приемными устройствами, например, несколько летательных аппаратов, что не всегда возможно. В условиях работы только одной приемной станции для решения данной задачи традиционно применяют методы пеленгации.
Современные методы определения угловых координат (пеленгации) можно разделить по количеству приемных каналов на одноканальные и моноимпульсные (многоканальные). Одноканальные методы пеленгации, отличаясь сравнительной простотой, не всегда обеспечивают достаточную точность измерения, так как данные в одноканальном методе принимаются последовательно, и наличие флуктуаций излучения сказывается в виде искажения огибающей принимаемого сигнала. В моноимпульсных методах, получивших широкое распространение, сигналы принимаются одновременно несколькими независимыми каналами, что позволяет измерить угловые координаты источника излучения по одному принятому импульсу. Это обеспечивает одно из главных преимуществ моноимпульсного метода пеленгации - малую чувствительность к мультипликативным флуктуациям амплитуды принятого сигнала, что позволяет уменьшить ошибку определения угловых координат.
Особенно остро стоит вопрос уменьшения ошибок определения амплитуд принимаемых сигналов в задаче пассивной пеленгации. В большинстве практических случаев для определения координат объекта используют активную локацию, обработка данных в которой заключается в приеме сигнала и последующем его сравнении с излученным сигналом. В

активных методах радиолокации оптимальная оценка координат источника излучения обычно производится корреляционным поиском, что обусловлено наличием точной информации о принимаемом сигнале. Априорная неопределенность структуры и свойств принимаемого сигнала в задаче пассивной пеленгации существенно снижает точность расчетов.
Большинство методов амплитудной моноимпульсной пеленгации разработаны для антенных систем, обычно формирующих четыре парциальных канала приема, вместе обеспечивающих прямоугольную конфигурацию. Основная причина выбора такой структуры приемной системы (или других похожих структур, например из пяти каналов) состоит в том, что при этом существенно упрощается задача пеленгации. Определение двух угловых координат источника излучения сводится к двум независимым подзадачам методом разделения переменных. В настоящее время возникает практическая возможность создания многоканальных многолепестковых амплитудных моноимпульсных антенн, конфигурации каналов которых существенно отличаются от традиционных. Наличие большего количества приемных каналов позволяет, например, увеличить рабочую область угловых координат, в которой может располагаться источник излучения для точного определения его местоположения. Однако переход к таким антеннам с многолепестковыми диаграммами направленности (ДН) сопряжен с трудностями адаптации (переноса) алгоритма обработки сигналов с целью получения информации о пеленге на случай произвольной конфигурации. Для ряда конфигураций разделение переменных (угловых координат) может быть выполнено, однако для каждой антенны необходимо отдельно формировать методику получения «сигнала ошибки» для каждой угловой координаты. Для произвольной конфигурации невозможно применить такой подход к решению задачи пеленгации.
Задача увеличения количества каналов приема и, соответственно, задача адаптации к таким системам алгоритма пеленгации особенно актуальны для работы антенных систем, устанавливаемых на летательных аппаратах, например искусственных спутниках Земли, поскольку из-за больших расстояний до пеленгуемых объектов на земной поверхности характерный размер зоны покрытия может составлять сотни километров, а значит, существует ненулевая вероятность того, что в этой области функционируют несколько излучающих объектов. Наличие двух и более источников со сравнимыми мощностями приводит к значительному повышению погрешностей измеряемых угловых координат. Существующие критерии позволяют определить факт наличия других источников излучения рядом с пеленгуемым объектом, однако не дают возможность определить количество излучающих целей и пеленг.
Исходя из анализа ограничений традиционных схем пеленгации, можно выделить ряд трудностей, связанных с практическим применением традиционных схем. Основная часть теоретических исследований по амплитудной моноимпульсной радиолокации основывается на ряде упрощений, которые редко выполняются на практике. В частности, при

значение порога необходимо знание желаемой вероятности ложной тревоги Ррл, дисперсии шума а2 и амплитуды сигнала, отраженного от одной цели в отсутствии другой. Критерий оказывается неприменимым в случае, когда сигналы, отраженные от двух целей точно синфазны или противофазны. Кроме того, в некоторых моноимпульсных системах на вход системы обработки данных поступают уже суммарный и разностный сигналы для каждой пары антенных лучей, т.е. для обработки не доступны сами принятые каждым лучом сигналы у,-.
Как отмечено в [36], при измерении направления прихода сигнальной волны относительно большое значение мнимой (квадратурной) части моноимпульсного отношения может случить в качестве индикатора наличия неразрешенных целей или сильной помехи (беспорядочных переотражений) в данном элементе разрешения (в условиях приема сигнала одного ИРИ без шумов мнимая часть моноимпульсного отношения равна нулю). Принимая во внимания только данные, для которых величина квадратурного моноимпульсного отношения меньше порога, можно увеличить точность слежения за целью. Также эффективной техникой является отказ от работы с данными, для которых суммарный сигнал не превышает некоторый порог, поскольку, когда величина суммарного сигнала становится относительно маленькой, измеренный угол обычно содержит большие ошибки. В работе [36] показано, что без применения таких пороговых обработок, среднее значение пеленга соответствует направлению х, на самую мощную цель:
< X >= X) .
Применение порога приводит к смещению среднего значения от сильной цели в сторону центра масс всех ИРИ. Средняя оценка пеленга при пороговой обработке суммарного канала соответствует центру масс системы целей:
Х1 + кхч
< х >= -1 ,
+ к
где к2 - отношение эффективных площадей отражения (ЯС8) слабой и сильной целей:
;_С(Х') рс^г
<7(х2)ЛС5, ’
<_г(х2) и П(х,) - коэффициенты усиления антенны в направлении слабой и сильной целей соответственно. Средняя оценка пеленга при пороговой обработке квадратурной части моноимпульсного отношения лежит между центром масс и сильнейшей целью.
х. + к2х
< х >=
1 + к
В работе [54] показано, что совместный анализ значения мнимой части моноимпульсного отношения для нескольких последовательных измерений позволяет повысить устойчивость обнаружения.