Совместное обнаружение и фазовое пеленгование источников радиоизлучения при одновременном обзоре в широкой полосе частот в условиях априорной неопределенности сигнально-помеховой обстановки тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.04, кандидат технических наук Чемаров, Алексей Олегович

• Чемаров, Алексей Олегович
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Чемаров, Алексей Олегович

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.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совместное обнаружение и фазовое пеленгование источников радиоизлучения при одновременном обзоре в широкой полосе частот в условиях априорной неопределенности сигнально-помеховой обстановки»

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.

Заключение диссертации по теме «Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения», Чемаров, Алексей Олегович

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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Чемаров, Алексей Олегович, 2009 год

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.