RU2316015C1 - Method for computer-interferometer localization of complex signals - Google Patents
Method for computer-interferometer localization of complex signals Download PDFInfo
- Publication number
- RU2316015C1 RU2316015C1 RU2006123178/09A RU2006123178A RU2316015C1 RU 2316015 C1 RU2316015 C1 RU 2316015C1 RU 2006123178/09 A RU2006123178/09 A RU 2006123178/09A RU 2006123178 A RU2006123178 A RU 2006123178A RU 2316015 C1 RU2316015 C1 RU 2316015C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- signals
- complex
- time
- arrival
- frequency
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Radar Systems Or Details Thereof (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в радиотехнике для пассивного обнаружения и пространственно-частотно-временной локализации энергии сложных сигналов в условиях априорной неопределенности относительно свойств и параметров сигналов, шумов и помех.The invention relates to measuring equipment and can be used in radio engineering for passive detection and spatial-frequency-time localization of energy of complex signals under conditions of a priori uncertainty regarding the properties and parameters of signals, noise and interference.
Решение задачи обнаружения и локализации по частоте, времени и направлению прихода непрерывно возрастающего количества и видов сложных сигналов (одночастотные шумоподобные сигналы (ШПС), многочастотные сигналы со скачкообразным изменением частоты (СИЧ), сигналы с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ) и их комбинации), обладающих низкой спектральной плотностью мощности и предназначенных для обеспечения работы нескольких передатчиков в одной полосе частот, является важнейшим условием обеспечения эффективности широкого парка существующих и перспективных радиосистем.Solving the problem of detecting and localizing the frequency, time and direction of arrival of a continuously increasing number and types of complex signals (single-frequency noise-like signals (SHPS), multi-frequency signals with frequency hopping (WMS), signals with linear frequency modulation (LFM), and combinations thereof), having a low spectral power density and designed to ensure the operation of several transmitters in the same frequency band, is an essential condition for ensuring the effectiveness of a wide fleet of existing x and promising radio systems.
Известен способ компьютерно-интерферометрической локализации сложных сигналов [1], при котором из выходных сигналов каждого элемента антенной решетки выделяются цифровые сигналы, характеризующие спектры принятых сигналов, и для каждой выбранной частоты в полосе приема, используя фазу сигналов, производится прямое вычисление пространственного ряда Фурье, дискретно описывающего угловой спектр мощности на выбранной частоте. После восстановления углового спектра на всех частотах определяется пеленг каждого источника, излучающего сигналы на частотах в пределах текущей полосы приема. Этот способ использует только фазовую информацию и обладает низкой эффективностью при локализации подавляющего большинства типов сложных сигналов.A known method of computer-interferometric localization of complex signals [1], in which digital signals characterizing the spectra of the received signals are extracted from the output signals of each element of the antenna array, and for each selected frequency in the reception band, using the phase of the signals, a direct calculation of the spatial Fourier series is performed, discretely describing the angular power spectrum at the selected frequency. After restoration of the angular spectrum at all frequencies, the bearing of each source emitting signals at frequencies within the current reception band is determined. This method uses only phase information and has low efficiency in localizing the vast majority of types of complex signals.
Известен более совершенный способ компьютерно-интерферометрической локализации сложных сигналов [2], принятый за прототип и включающий:Known more advanced method of computer-interferometric localization of complex signals [2], adopted as a prototype and includes:
- когерентный прием радиосигнала двумя пространственно разнесенными приемными каналами;- coherent radio signal reception by two spatially separated receiving channels;
- формирование сигнала, описывающего взаимную корреляционную функцию (ВКФ), зависящую от временного сдвига сигналов, принятых парой приемных каналов;- the formation of a signal describing the mutual correlation function (VKF), depending on the time shift of the signals received by a pair of receiving channels;
- выделение центральной части ВКФ;- allocation of the central part of the VKF;
- преобразование выделенной центральной части ВКФ в комплексную взаимную спектральную плотность (ВСП) принятого радиосигнала;- the conversion of the selected central part of the CCF to the complex mutual spectral density (VSP) of the received radio signal;
- сравнение модуля комплексной ВСП с порогом для обнаружения радиосигнала и локализации области частот, занимаемой его спектром, определение ширины спектра сигнала и его положения на частотной оси;- comparison of the integrated VSP module with a threshold for detecting a radio signal and localizing the frequency region occupied by its spectrum, determining the width of the spectrum of the signal and its position on the frequency axis;
- измерение угла линии фазового наклона комплексной ВСП в локализованной области частот для определения направления прихода принятого радиосигнала;- measuring the angle of the phase slope of the integrated VSP in the localized frequency region to determine the direction of arrival of the received radio signal;
- индикацию результатов обнаружения, частотной локализации и пеленгования радиосигнала.- indication of the results of detection, frequency localization and direction finding of the radio signal.
Способ-прототип основан на формировании и преобразовании одномерной ВКФ, зависящей от временного сдвига сигналов, принимаемых двумя пространственно разнесенными каналами. Этот способ эффективно решает задачу обнаружения и частотно-пространственной локализации только одного класса сложных сигналов - непрерывных во времени радиосигналов типа ШПС, при условии нахождения центральной части ВКФ в области нулевых задержек, то есть при малом временном сдвиге между принятыми сигналами, что соответствует узкому сектору углов прихода сигналов вблизи нормали к линии положения антенн двух приемных каналов.The prototype method is based on the formation and conversion of a one-dimensional VKF, depending on the time shift of the signals received by two spatially separated channels. This method effectively solves the problem of detecting and spatial-spatial localization of only one class of complex signals — time-continuous BPS type radio signals, provided that the central part of the CCF is in the region of zero delays, that is, with a small time shift between the received signals, which corresponds to a narrow angle sector the arrival of signals near the normal to the position line of the antennas of the two receiving channels.
Однако при обнаружении и локализации в широком секторе углов прихода многочисленного класса сложных сигналов с дискретной частотно-временной структурой (импульсные и пакетные ШПС, СИЧ, ЛЧМ и их комбинации) данный способ теряет свою эффективность, так как в условиях априорной неопределенности относительно формы и параметров сигналов обладает рядом недостатков, которые ограничивают вероятность обнаружения и локализации таких сигналов.However, when detecting and localizing in a wide sector of the angles of arrival of a large class of complex signals with a discrete time-frequency structure (pulse and packet BSS, WMS, LFM and their combinations), this method loses its effectiveness, since under conditions of a priori uncertainty regarding the shape and parameters of the signals It has a number of disadvantages that limit the probability of detection and localization of such signals.
Первым недостатком прототипа является низкая эффективность пространственной локализации сигналов при малых входных отношениях сигнал/шум. Это обусловлено сложностью восстановления полной фазы взаимной спектральной плотности локализуемого сигнала при изменяющихся в широких пределах значениях временной задержки между сигналами и отсутствием у прототипа операций компенсации задержек для обеспечения наиболее благоприятных условий для восстановления полной фазы.The first disadvantage of the prototype is the low efficiency of spatial localization of signals at low input signal-to-noise ratios. This is due to the difficulty of reconstructing the full phase of the mutual spectral density of the localized signal with a wide variation of the time delay between the signals and the lack of delay compensation operations in the prototype to ensure the most favorable conditions for reconstructing the full phase.
Второй недостаток обусловлен тем, что у прототипа отсутствует избирательность по времени. В результате перед измерением направления прихода сигналов решается задача локализации энергии принятых сигналов только по частоте. При этом мощность шумов в паузах между прерывистыми во времени излучениями, например в случае импульсных и пакетных сигналов ШПС или сигнала СИЧ, не отфильтровывается и при большой скважности излучений существенно снижает выходное отношение сигнал/шум и качество обнаружения и измерения пеленга. При обнаружении и пеленговании ЛЧМ сигналов из-за влияния шумов также наблюдается существенное снижение эффективности в силу того, что способ-прототип не использует изменение частоты радиосигнала во времени. Кроме того, наличие в частотно-временной области приема сигналов с перекрывающимися спектрами приводит к возникновению взаимных помех.The second disadvantage is due to the fact that the prototype lacks time selectivity. As a result, before measuring the direction of arrival of the signals, the problem of localizing the energy of the received signals only in frequency is solved. In this case, the noise power in the pauses between time-discontinuous emissions, for example, in the case of pulse and burst signals of an ALS or a WMS signal, is not filtered out and, with a large duty cycle of the radiation, it significantly reduces the signal-to-noise ratio and the quality of detection and measurement of bearings. When detecting and direction-finding chirp signals due to the influence of noise, there is also a significant decrease in efficiency due to the fact that the prototype method does not use a change in the frequency of the radio signal over time. In addition, the presence in the time-frequency region of the reception of signals with overlapping spectra leads to mutual interference.
Повышение эффективности локализации сложных сигналов при использовании способа-прототипа можно обеспечить несколькими известными путями:Improving the efficiency of localization of complex signals when using the prototype method can be achieved in several well-known ways:
1) Увеличением базы двухантенной приемной решетки для повышения точности локализации сигналов по углу прихода.1) Increasing the base of the dual-antenna receiving array to improve the accuracy of signal localization along the angle of arrival.
Однако увеличение базы антенной решетки ограничивается интервалом пространственной корреляции сигналов, который зависит от свойств среды распространения сигнала и, кроме того, приводит к уменьшению сектора рабочих углов способа-прототипа.However, the increase in the base of the antenna array is limited by the interval of spatial correlation of signals, which depends on the properties of the signal propagation medium and, in addition, leads to a decrease in the sector of working angles of the prototype method.
2) Увеличением числа элементов антенной решетки.2) An increase in the number of elements of the antenna array.
Однако этот путь не всегда применим и часто ограничивается на практике условиями размещения антенной решетки, особенно в мобильных системах.However, this path is not always applicable and is often limited in practice by the conditions of placement of the antenna array, especially in mobile systems.
3) Увеличением длительности регистрации отдельной реализации сигнала или использованием нескольких перекрывающихся реализаций для разделения сигналов по времени и выделения из шума за счет накопления во времени.3) An increase in the duration of registration of an individual signal implementation or the use of several overlapping implementations to separate signals in time and to isolate them from noise due to accumulation in time.
Этот путь также только частично повышает эффективность локализации сигналов с расширенным спектром, так как теряет свою ценность при локализации коротких сигналов с расширенным спектром, то есть сигналов, обладающих как временной, так и энергетической скрытностью.This path also only partially increases the efficiency of localization of signals with a spread spectrum, since it loses its value when localizing short signals with a spread spectrum, that is, signals with both temporal and energy secrecy.
Техническим результатом изобретения является повышение эффективности локализации нескольких сложных сигналов с априорно неизвестной формой и частотно-временной структурой в широком секторе углов.The technical result of the invention is to increase the efficiency of localization of several complex signals with an a priori unknown shape and time-frequency structure in a wide sector of angles.
Повышение эффективности достигнуто благодаря дополнительной информации, извлекаемой из одной реализации входных данных за счет перехода от двухмерной локализации по частоте и направлению прихода к трехмерной локализации по частоте, времени и направлению прихода сигналов.The increase in efficiency was achieved thanks to additional information extracted from one implementation of the input data due to the transition from two-dimensional localization in frequency and direction of arrival to three-dimensional localization in frequency, time and direction of arrival of signals.
Для достижения указанного технического результата предлагается способ компьютерно-интерферометрической локализации сложных сигналов, включающий когерентный прием сигналов двумя пространственно разнесенными приемными каналами согласно изобретению,To achieve the specified technical result, a method for computer-interferometric localization of complex signals, including coherent reception of signals by two spatially separated receiving channels according to the invention,
синхронно преобразуют принятые сигналы в комплексные цифровые сигналы,synchronously convert the received signals into complex digital signals,
запоминают цифровые сигналы,remember digital signals
из цифровых сигналов пары каналов для каждого ожидаемого направления прихода принятых сигналов формируют комплексную двухмерную взаимную корреляционную функцию (ДВКФ), зависящую от временного и от частотного сдвигов принимаемых сигналов,from digital signals, pairs of channels for each expected direction of arrival of the received signals form a complex two-dimensional cross-correlation function (DCF), depending on the time and frequency shifts of the received signals,
выделяют центральную часть каждой комплексной ДВКФ,allocate the central part of each complex DCF,
преобразуют каждую выделенную центральную часть комплексной ДВКФ в комплексную функцию взаимной спектральной плотности (ФВСП),transform each highlighted central part of the complex DKVF into a complex function of mutual spectral density (FSPP),
используют комплексные ФВСП для обнаружения и локализации сигналов по частоте, времени и направлению прихода,use complex FVSP to detect and localize signals in frequency, time and direction of arrival,
индицируют результаты обнаружения и локализации сигналов.Indicate the results of detection and localization of signals.
Возможны частные случаи осуществления способа:Particular cases of the method are possible:
1. Формирование комплексной ДВКФ для каждого ожидаемого направления прихода сигналов осуществляют путем сдвига по времени цифрового сигнала одного из каналов на соответствующую каждому ожидаемому направлению прихода принятых сигналов величину, использования несдвинутого и сдвинутого цифровых сигналов пары каналов при формировании комплексной ДВКФ.1. The formation of an integrated DCFF for each expected direction of arrival of signals is carried out by time shifting the digital signal of one of the channels by a value corresponding to each expected direction of arrival of the received signals, using unshifted and shifted digital signals of a pair of channels in the formation of an integrated DCFF.
Это обеспечивает наведение антенной решетки на все возможные направления прихода сигналов и, как следствие, повышает качество формирования комплексной функции взаимной спектральной плотности на последующих этапах обработки сигналов.This ensures that the antenna array is guided to all possible directions of signal arrival and, as a result, improves the quality of the formation of the complex function of the mutual spectral density at subsequent stages of signal processing.
2. Формирование комплексной ДВКФ для каждого ожидаемого направления прихода сигналов также осуществляют путем суммирования несдвинутого и сдвинутого цифровых сигналов пары каналов, использования несдвинутого и суммарного цифровых сигналов пары каналов при формировании комплексной ДВКФ.2. The formation of an integrated DCFF for each expected direction of arrival of signals is also carried out by summing the unshifted and shifted digital signals of the pair of channels, using the unshifted and total digital signals of the pair of channels in the formation of the integrated DCF.
Это повышает чувствительность локализации сложных сигналов.This increases the sensitivity of localization of complex signals.
3. Формирование комплексной ДВКФ для каждого ожидаемого направления прихода сигналов также осуществляют путем использования несдвинутых цифровых сигналов пары каналов при формировании комплексной ДВКФ, сдвига по времени сформированной комплексной ДВКФ на величину, соответствующую каждому ожидаемому направлению прихода.3. The formation of an integrated DCFF for each expected direction of arrival of signals is also carried out by using unshifted digital signals of a pair of channels in the formation of a complex DCFF, and the time shift of the formed integrated DCFF by an amount corresponding to each expected direction of arrival.
Это сокращает объем вычислений и, как следствие, повышает быстродействие локализации сложных сигналов.This reduces the amount of computation and, as a result, increases the speed of localization of complex signals.
4. Обнаружение и локализацию сигналов по частоте, времени и направлению прихода осуществляют путем сравнения модуля каждой комплексной ФВСП с порогом и выбора замкнутых частотно-временных областей, в которых превышен порог, в качестве частотно-временных областей локализации отдельных сигналов для каждого направления прихода, сравнения перекрывающихся в частотно-временной области сигналов разных ФВСП, выбора в каждой перекрывшейся группе сигнала с максимальной взаимной энергией и нулевым углом фазового наклона ФВСП в частотно-временной области его локализации, а также фиксации направления прихода выбранного сигнала.4. Detection and localization of signals by frequency, time and direction of arrival is carried out by comparing the module of each integrated high-pass filter with a threshold and selecting closed time-frequency regions in which the threshold is exceeded, as the time-frequency areas of localization of individual signals for each direction of arrival, comparison signals overlapping in the time-frequency domain of different FVSP, selection in each overlapping group of a signal with maximum mutual energy and zero phase tilt angle of the FVSP in the time-frequency area of its localization, as well as fixing the direction of arrival of the selected signal.
Это повышает эффективность обнаружения и локализации сигналов по частоте, времени и направлению прихода.This increases the efficiency of detection and localization of signals by frequency, time and direction of arrival.
Операции способа поясняются чертежами.The operation of the method is illustrated by drawings.
Фиг.1. Структурная схема устройства компьютерно-интерферометрической локализации сложных сигналов.Figure 1. Block diagram of a computer interferometric device for localizing complex signals.
Фиг.2. Двухмерная взаимная корреляционная функция при наличии в частотно-временной области приема двух сложных сигналов с совпадающими углами прихода:Figure 2. Two-dimensional cross-correlation function in the presence of two complex signals with matching angles of arrival in the time-frequency domain of reception:
а) модуль комплексной двухмерной взаимной корреляционной функции;a) the module of the complex two-dimensional cross-correlation function;
б) модуль центральной двухмерной части комплексной двухмерной взаимной корреляционной функции.b) the module of the central two-dimensional part of the complex two-dimensional cross-correlation function.
Фиг.3. Функция взаимной спектральной плотности при наличии в частотно-временной области приема двух сигналов с совпадающими углами прихода:Figure 3. The function of the mutual spectral density in the presence in the time-frequency domain of receiving two signals with matching angles of arrival:
а) проекция модуля комплексной функции взаимной спектральной плотности на временную ось;a) the projection of the module of the complex function of the mutual spectral density on the time axis;
б) проекция модуля комплексной функции взаимной спектральной плотности на частотную ось;b) the projection of the module of the complex function of the mutual spectral density on the frequency axis;
в) проекция модуля комплексной функции взаимной спектральной плотности на частотно-временную координатную плоскость;c) the projection of the module of the complex function of the mutual spectral density on the time-frequency coordinate plane;
г) модуль комплексной функции взаимной спектральной плотности.d) the modulus of the complex function of the mutual spectral density.
Фиг.4 и 5. Функция взаимной спектральной плотности при наличии в частотно-временной области приема двух сигналов с отличающимися углами прихода.4 and 5. The function of the mutual spectral density in the presence of the time-frequency region of the reception of two signals with different angles of arrival.
Фиг.6. Модуль (фиг.6а) и аргумент (фиг.6б) комплексной взаимной спектральной плотности сложного сигнала, локализованного по частоте, времени и направлению прихода.6. The module (figa) and the argument (fig.6b) of the complex mutual spectral density of a complex signal, localized in frequency, time and direction of arrival.
Способ компьютерно-интерферометрической локализации сложных сигналов осуществляется следующим образом.The method of computer-interferometric localization of complex signals is as follows.
1. Когерентно принимают сигналы двумя пространственно разнесенными приемными каналами. В результате формируются сигналы xn(t), зависящие от времени t, где n=1, 2 - номер приемного канала.1. Coherently receive signals with two spatially separated receiving channels. As a result, signals x n (t) are generated depending on the time t, where n = 1, 2 is the number of the receiving channel.
2. Синхронно преобразуют принятые сигналы x1(t) и x2(t) в комплексные цифровые сигналы и где z - номер временного отсчета сигнала.2. Synchronously convert the received signals x 1 (t) and x 2 (t) into complex digital signals and where z is the time reference number of the signal.
Преобразование принятых сигналов x1(t) и x2(t) в комплексные цифровые сигналы и может быть выполнено различными способами. Например, аналогово-цифровым или полностью цифровым способами, основанными на преобразовании Гильберта [3, стр.65] или квадратурной дискретизации [3, стр.169]. Значение периода дискретизации Тd должно быть много меньше минимального значения задержки между моментами прихода сигналов на две антенны, то есть где d - расстояние между антеннами, Δ - шаг по углу, с - скорость света. Так при d=1000 м и Δ=0,1 градуса получаем что соответствует частоте дискретизации 200 МГц. Отметим, что на современной элементной базе реализуемы частоты дискретизации, превышающие значение 1 ГГц.Converting received signals x 1 (t) and x 2 (t) into complex digital signals and can be performed in various ways. For example, analog-digital or fully digital methods based on the Hilbert transform [3, p. 65] or quadrature sampling [3, p. 169]. The value of the sampling period T d should be much less than the minimum delay between the moments of arrival of the signals at two antennas, i.e. where d is the distance between the antennas, Δ is the step along the angle, and s is the speed of light. So at d = 1000 m and Δ = 0.1 degrees we get which corresponds to a sampling frequency of 200 MHz. Note that, on a modern elemental base, sampling frequencies exceeding 1 GHz are realizable.
3. Синхронно регистрируют комплексные цифровые сигналы и на заданном временном интервале.3. Synchronously register complex digital signals and at a given time interval.
4. Из комплексных цифровых сигналов и пары каналов для каждого ожидаемого направления m=1, ..., М прихода принятых сигналов формируют комплексную двухмерную взаимную корреляционную функцию (ДВКФ) 4. From complex digital signals and pairs of channels for each expected direction m = 1, ..., M of the arrival of the received signals form a complex two-dimensional cross-correlation function (DCF)
При формировании ДВКФ (другими словами, времячастотной функции рассогласования [4, стр.103]) выполняют следующие действия:When forming a DCFF (in other words, the time-frequency mismatch function [4, p. 103]), the following actions are performed:
- сдвигают по времени цифровой сигнал одного из каналов, например сигнал на величину τ(m), соответствующую каждому ожидаемому направлению прихода m=1, ..., М принятых сигналов.- time shift the digital signal of one of the channels, for example, a signal by the value τ (m) corresponding to each expected direction of arrival m = 1, ..., M of the received signals.
Значения временных сдвигов, соответствующие каждому ожидаемому направлению прихода сигналов, вычисляют по следующей формуле: где d - расстояние между антеннами приемных каналов, с - скорость света.The values of the time shifts corresponding to each expected direction of arrival of the signals are calculated by the following formula: where d is the distance between the antennas of the receiving channels, c is the speed of light.
Сдвиг сигнала и все последующие операции преобразования сигналов выполняют во временной или в частотной областях известными способами [5, стр.370].Signal shift and all subsequent signal conversion operations are performed in the time or frequency domains by known methods [5, p. 370].
В первом из сигнала получают сдвинутый комплексный сигнал Во втором случае из сигнала получают комплексный временной спектр где - оператор дискретного преобразования Фурье (ДПФ) по времени, a k=0, ..., K-1 - номер частотного отсчета. Задержку сигнала по времени на величину τ(m) реализуют в частотной области умножением комплексного временного спектра сигнала на вектор на комплексной плоскости ехр(-jωkτ(m)), где ωk - частота, соответствующая k-му частотному отсчету. Задержанный комплексный сигнал получают по следующим формулам: In the first of the signal receive the shifted complex signal In the second case, from the signal get a comprehensive time spectrum Where is the discrete Fourier transform (DFT) operator in time, ak = 0, ..., K-1 is the number of the frequency reference. Signal delay in time by the value of τ (m) is realized in the frequency domain by multiplying the complex time spectrum of the signal per vector on the complex plane exp (-jω k τ (m) ), where ω k is the frequency corresponding to the k-th frequency sample. The delayed complex signal is obtained by the following formulas:
Таким образом, в результате выполнения операций сдвига по времени получают М сдвинутых комплексных сигналов Thus, as a result of time shift operations, M shifted complex signals are obtained
Отметим, что данную операцию можно рассматривать как составляющую операции наведения 2-элементной антенной решетки в каждое из m=1, ..., М угловых направлений, что необходимо для последующего разделения и локализации принятых сигналов по пространству;Note that this operation can be considered as a component of the operation of pointing a 2-element antenna array into each of m = 1, ..., M angular directions, which is necessary for the subsequent separation and localization of received signals in space;
- используют несдвинутый и сдвинутый цифровые сигналы пары каналов при формировании комплексной ДВКФ для каждого ожидаемого направления m=1, ..., М прихода принятых сигналов.- use unshifted and shifted digital signals of a pair of channels in the formation of a complex DCF for each expected direction m = 1, ..., M of the arrival of the received signals.
Формирование комплексных ДВКФ выполняют во временной области или в частотной области где (...)* означает комплексное сопряжение.The formation of integrated FEFF perform in the time domain or in the frequency domain where (...) * means complex conjugation.
Это обеспечивает наведение антенной решетки на выбранные направления прихода сигналов и, как следствие, повышает качество формирования комплексной функции взаимной спектральной плотности на последующих этапах обработки сигналов.This ensures that the antenna array is guided in the selected direction of arrival of the signals and, as a result, improves the quality of the formation of the complex function of the mutual spectral density at subsequent stages of signal processing.
Для повышения чувствительности локализации сложных сигналов формирование комплексной ДВКФ для каждого ожидаемого направления прихода m=1, ..., М сигналов также осуществляют следующим образом:To increase the sensitivity of localization of complex signals, the formation of an integrated DCF for each expected direction of arrival, m = 1, ..., M signals are also carried out as follows:
- суммируют несдвинутый и сдвинутый для m-го направления прихода цифровые сигналы пары каналов для получения суммарного сигнала - summarize the unshifted and shifted for the m-th direction of arrival digital signals of a pair of channels to obtain a total signal
- используют несдвинутый и суммарный цифровые сигналы пары каналов при формировании комплексной ДВКФ для m-го направления прихода.- use unshifted and total digital signals of a pair of channels in the formation of a complex DCF for the m-th direction of arrival.
Формирование выполняют, как и ранее, во временной или в частотной областях.The formation is performed, as before, in the temporary or in frequency areas.
Для сокращения объема вычислений и, как следствие, повышения быстродействия локализации сложных сигналов формирование комплексной ДВКФ для каждого ожидаемого направления m=1, ..., М прихода сигналов также осуществляют следующим образом:To reduce the amount of computation and, as a result, increase the speed of localization of complex signals, the formation of an integrated DCF for each expected direction m = 1, ..., M, the arrival of signals is also carried out as follows:
- используют несдвинутые цифровые сигналы и пары каналов при формировании комплексной ДВКФ принятых сигналов.- use unshifted digital signals and pairs of channels in the formation of complex DCF received signals.
Формирование выполняют, как и ранее, во временной или в частотной областях;The formation is performed, as before, in the temporary or in frequency areas;
- сдвигают по времени сформированную комплексную ДВКФ на величину, соответствующую каждому ожидаемому направлению m=1, ..., М прихода сигналов.- shift in time the formed complex DCF by the value corresponding to each expected direction m = 1, ..., M of the arrival of signals.
Сдвиг выполняют следующим образом:The shift is performed as follows:
В результате выполнения описанных операций получают М комплексных ДВКФ As a result of the performance of the described operations, M complex DVKF are obtained
5. Выделяют центральную двухмерную часть каждой комплексной ДВКФ 5. Allocate the central two-dimensional part each integrated FEFF
Параметры Δ и Θ выбирают исходя из необходимости подавления шумов и побочных пиков функции рассогласования, определяющих уровень взаимных помех, а также исходя из допустимого уровня искажения фронтов импульсов полезного сигнала.The parameters Δ and Θ are selected based on the need to suppress noise and side peaks of the mismatch function, which determine the level of mutual interference, as well as on the basis of the permissible level of distortion of the fronts of the pulses of the useful signal.
Данную операцию можно рассматривать как операцию применения двухмерного окна, имеющего квадратную или прямоугольную опорную область, к комплексной ДВКФ Применение двухмерного окна к комплексной ДВКФ эквивалентно двухмерной фильтрации комплексной функции взаимной спектральной плотности, формируемой на следующем этапе.This operation can be considered as the operation of applying a two-dimensional window having a square or rectangular support region to a complex DCF Application of a two-dimensional window to a complex DCF equivalent to two-dimensional filtration of the complex function of the mutual spectral density formed in the next step.
На фиг.2а и фиг.2б в качестве примера представлены модуль комплексной ДВКФ и модуль ее центральной двухмерной части, сформированные для углового направления, совпадающего с направлением прихода немодулированного радиоимпульса и радиоимпульса с ЛЧМ.On figa and figb as an example presents a module integrated DCF and module its central two-dimensional part, formed for the angular direction coinciding with the direction of arrival of the unmodulated radio pulse and the radio pulse with the LFM.
6. Преобразуют каждую выделенную центральную часть комплексной ДВКФ в комплексную функцию взаимной спектральной плотности (ФВСП) 6. Transform each highlighted central part complex DKVF into a complex function of mutual spectral density (FVSP)
В результате выполнения описанных операций получают М комплексных ФВСП Модуль комплексной ФВСП может рассматриваться как спектрограмма или, другими словами, "изображение" частотно-временного распределения энергии сигналов в анализируемой частотно-временной области приема.As a result of the performance of the described operations get M complex FVSP Module integrated FSPP can be considered as a spectrogram or, in other words, an “image” of the time-frequency distribution of the signal energy in the analyzed time-frequency reception region.
На фиг.3 представлены проекции модуля на временную (фиг.3а) и частотную (фиг.3б) оси, на частотно-временную координатную плоскость (фиг.3в) и собственно модуль (фиг.3г) комплексной ФВСП, сформированной для углового направления, совпадающего с направлением прихода немодулированного радиоимпульса и радиоимпульса с ЛЧМ.Figure 3 presents the projection of the module on the temporary (figa) and frequency (fig.3b) axis, on the time-frequency coordinate plane (fig.3c) and the module itself (Fig. 3d) of an integrated FSPP formed for the angular direction coinciding with the direction of arrival of the unmodulated radio pulse and the radio pulse with LFM.
На фиг.4а - фиг.4г представлены проекции модуля и собственно модуль комплексной ФВСП, сформированной для углового направления, совпадающего с направлением прихода немодулированного радиоимпульса.On figa - fig.4g presents the projection of the module and the actual module integrated FSPP, formed for the angular direction, coinciding with the direction of arrival of the unmodulated radio pulse.
На фиг.5а - фиг.5г представлены проекции модуля и собственно модуль комплексной ФВСП, сформированной для углового направления, совпадающего с направлением прихода радиоимпульса с ЛЧМ.On figa - fig.5g presents the projection of the module and the actual module integrated FSPP, formed for the angular direction, coinciding with the direction of arrival of the radio pulse with LFM.
Как видно из фиг.3в и фиг.3г, предложенный способ обеспечивает разделение по частоте и времени нескольких сигналов с совпадающими углами прихода. Кроме того, из фиг.4 и фиг.5 следует, что предложенный способ обеспечивает разделение по углу прихода нескольких сигналов, одновременно попадающих в частотно-временную область приема.As can be seen from figv and fig.3d, the proposed method provides a separation in frequency and time of several signals with matching angles of arrival. In addition, from figure 4 and figure 5, it follows that the proposed method provides separation by the angle of arrival of several signals simultaneously falling into the time-frequency region of the reception.
Таким образом, описанные операции являются основополагающими для повышения эффективности обнаружения и определения распределения энергии по частоте, времени и угловому направлению множества априорно неизвестных сложных сигналов, одновременно попадающих в анализируемую частотно-временную область приема.Thus, the described operations are fundamental for improving the detection and determination of the energy distribution in frequency, time and angular direction of a plurality of a priori unknown complex signals that simultaneously fall into the analyzed time-frequency receiving region.
Полученные для всех ожидаемых направлений прихода сигналов комплексные ФВСП используются на последующих этапах обработки для автоматизации операций обнаружения и локализации по частоте, времени и направлению прихода всей совокупности сигналов, одновременно попадающих в анализируемую область приема.Comprehensive FSPPs obtained for all expected directions of signal arrival are used at subsequent processing stages to automate the detection and localization operations in frequency, time and direction of arrival of the entire set of signals simultaneously falling into the analyzed receiving area.
7. Используют комплексные ФВСП для обнаружения и локализации сигналов по частоте, времени и направлению прихода.7. Use complex FVSP to detect and localize signals by frequency, time and direction of arrival.
При этом обнаружение и локализацию сигналов по частоте, времени и направлению прихода осуществляют следующим образом:In this case, the detection and localization of signals in frequency, time and direction of arrival is as follows:
- сравнивают модуль каждой комплексной ФВСП с порогом С0 для выбора замкнутых частотно-временных областей, в которых превышен порог С0, в качестве частотно-временных областей локализации отдельных сигналов для каждого ожидаемого направления прихода. Порог С0 выбирают, исходя из заданной вероятности ложной тревоги;- compare the module each complex high-pass filter with threshold С 0 for selecting closed time-frequency regions in which threshold С 0 is exceeded, as time-frequency regions of localization of individual signals for each expected direction of arrival. The threshold C 0 is selected based on a given probability of false alarm;
- сравнивают перекрывающиеся в частотно-временной области сигналы разных комплексных ФВСП;- compare the signals overlapping in the time-frequency domain of different complex FVSP;
- выбирают в каждой перекрывшейся группе сигнал с максимальной взаимной энергией и нулевым углом фазового наклона в частотно-временной области его локализации.- in each overlapping group, a signal is selected with the maximum mutual energy and zero phase angle in the time-frequency region of its localization.
Энергию сигнала определяют путем суммирования квадратов модулей комплексной ФВСП в частотно-временной области его локализации. Степень приближения угла фазового наклона к нулю определяют известными способами, например способом наименьших квадратов.The signal energy is determined by summing the squares of the modules of the integrated high-pass filter in the time-frequency region of its localization. The degree of approach of the phase angle to zero is determined by known methods, for example, the least squares method.
Пример модуля (амплитудного спектра) сигнала с максимальной взаимной энергией в виде радиоимпульса с ЛЧМ приведен на фиг.6а. Нулевой угол фазового наклона в частотной области, занимаемой спектром выбранного сигнала - радиоимпульса с ЛЧМ, показан на фиг.6б;An example of a module (amplitude spectrum) of a signal with maximum mutual energy in the form of a radio pulse with a chirp is shown in Fig.6a. The zero phase angle angle in the frequency domain occupied by the spectrum of the selected signal — the radio pulse with LFM, is shown in FIG. 6b;
- фиксируют направление прихода выбранного сигнала.- fix the direction of arrival of the selected signal.
При этом используется однозначная связь выбранного сигнала и соответствующей функции а также связь номера m функции с ожидаемыми угловыми направлениями прихода m=1, ..., М, которые, в свою очередь, являются направлениями наведения антенной решетки.In this case, an unambiguous relationship of the selected signal and the corresponding function is used. as well as m function number relationship with the expected angular directions of arrival m = 1, ..., M, which, in turn, are the directions of pointing the antenna array.
Как следует из описанных операций, на данном этапе одновременно определяется направление прихода и частотно-временная область каждого принятого сигнала. Другими словами, на данном этапе реализуется пространственно-частотно-временная локализация сигналов всех передатчиков, одновременно попадающих в частотно-временную область приема;As follows from the described operations, at this stage, the direction of arrival and the time-frequency region of each received signal are simultaneously determined. In other words, at this stage, the spatial-frequency-time localization of the signals of all transmitters that simultaneously fall in the frequency-time domain of reception is realized;
8. Индицируют результаты обнаружения и локализации сигналов по частоте, времени и направлению прихода.8. Indicate the results of detection and localization of signals by frequency, time and direction of arrival.
Из приведенного описания предложенного способа следует, что повышение эффективности локализации нескольких сложных сигналов с априорно неизвестной формой и частотно-временной структурой в широком секторе углов достигнуто благодаря введению следующих операций:From the above description of the proposed method, it follows that an increase in the efficiency of localization of several complex signals with an a priori unknown shape and time-frequency structure in a wide sector of angles was achieved by introducing the following operations:
- формирования вместо одномерной ВКФ двухмерной ВКФ, что повышает информативность локализации;- formation instead of a one-dimensional VKF of a two-dimensional VKF, which increases the information content of localization;
- сдвига двухмерной ВКФ в область нулевых задержек, что повышает чувствительность и разрешающую способность обнаружения и локализации сигналов по пространству, частоте и времени благодаря компенсации задержек для каждого ожидаемого направления приема;- shift of two-dimensional VKF to the region of zero delays, which increases the sensitivity and resolution of detection and localization of signals in space, frequency and time due to compensation of delays for each expected direction of reception;
- двухмерной фильтрации в корреляционной области вместо одномерной фильтрации, что также повышает чувствительность и разрешающую способность обнаружения и локализации;- two-dimensional filtering in the correlation region instead of one-dimensional filtering, which also increases the sensitivity and resolution of detection and localization;
- формирования функции ВСП ("изображение" частотно-временного распределения энергии сигналов) вместо ВСП ("изображение" частотного распределения энергии сигналов), что также повышает информативность и качество локализации;- the formation of the VSP function ("image" of the frequency-time distribution of signal energy) instead of VSP ("image" of the frequency distribution of signal energy), which also increases the information content and quality of localization;
- идентификации частотно-временных областей локализации вместо частотных областей, что также повышает информативность и качество локализации.- identification of time-frequency localization regions instead of frequency regions, which also increases the information content and quality of localization.
Эффективность предложенного способа подтверждена моделированием в среде Mathcad 2001 для широкого диапазона расстояний между антеннами приемных каналов, изменявшихся от единиц до тысяч длин волн λ падающего излучения, и различных значений входных отношений сигнал/шум.The effectiveness of the proposed method is confirmed by modeling in Mathcad 2001 for a wide range of distances between the antennas of the receiving channels, varying from units to thousands of wavelengths λ of the incident radiation and various values of the input signal-to-noise ratios.
Устройство (фиг.1), в котором реализуется предложенный способ, включает последовательно соединенные антенную систему 1, двухканальный преобразователь частоты (ПРЧ) 2, двухканальное устройство квадратурной дискретизации 3, вычислитель 4, устройство отображения 5.The device (figure 1), which implements the proposed method, includes a series-connected antenna system 1, a two-channel frequency converter (RFH) 2, a two-channel quadrature sampling device 3, a
Антенная система 1 содержит две антенны, объединенные в решетку. Для устранения неоднозначности по пространству используются антенны с кардиоидной или более острой диаграммой направленности.Antenna system 1 contains two antennas combined in an array. To eliminate the ambiguity in space, antennas with a cardioid or sharper radiation pattern are used.
Двухканальные ПРЧ 2 и устройство 3 выполнены с общим гетеродином и с полосой пропускания каждого канала, обеспечивающей одновременный прием нескольких сигналов. Общий гетеродин обеспечивает двухканальный когерентный прием радиосигналов.Two-channel RFR 2 and device 3 are made with a common local oscillator and with a bandwidth of each channel, providing simultaneous reception of several signals. A common local oscillator provides two-channel coherent reception of radio signals.
Устройство, реализующее способ компьютерно-интерферометрической локализации сложных сигналов, работает следующим образом.A device that implements a method of computer-interferometric localization of complex signals works as follows.
Радиосигналы передатчиков принимаются антеннами решетки 1. Принятый каждой антенной решетки 1 зависящий от времени t радиосигнал xn(t) в ПРЧ 2 когерентно переносится на более низкую частоту.The radio signals of the transmitters are received by the antennas of the array 1. The time-dependent radio signal x n (t) received by each antenna array 1 is coherently transferred to a lower frequency in the RFI 2.
Сформированные в ПРЧ 2 сигналы и синхронно преобразуются в двухканальном устройстве квадратурной дискретизации 3 в комплексные цифровые сигналы и Комплексные цифровые сигналы и синхронно регистрируется на заданном временном интервале в вычислителе 4.Signals generated in the RFR 2 and synchronously converted in a two-channel quadrature sampling device 3 into complex digital signals and Integrated Digital Signals and synchronously recorded at a given time interval in the
Кроме того, в вычислителе 4 выполняются следующие действия:In addition, in the
- из комплексных цифровых сигналов пары каналов и формируется комплексная ДВКФ сигналов пары каналов для каждого ожидаемого направления m=1, ..., М прихода сигналов;- from complex digital signals of a pair of channels and integrated DVKF is being formed signals of a pair of channels for each expected direction m = 1, ..., M of the arrival of signals;
- выделяется центральная двухмерная часть каждой комплексной ДВКФ - the central two-dimensional part stands out each integrated FEFF
- преобразуется каждая выделенная центральная часть в комплексную ФВСП - each highlighted central part is transformed in integrated FVSP
- сравнением модуля каждой комплексной ФВСП с порогом C0 выбираются частотно-временные области локализации отдельных сигналов для каждого ожидаемого направления прихода;- comparing the module each integrated FSPP with a threshold C 0 , the time-frequency regions of localization of individual signals for each expected direction of arrival are selected;
- сравниваются перекрывающиеся в частотно-временной области сигналы разных комплексных ФВСП;- the signals of different complex FVSP overlapping in the time-frequency domain are compared;
- выбирается в каждой перекрывшейся группе сигнал с максимальной взаимной энергией и нулевым углом фазового наклона в частотно-временной области его локализации и фиксируется направление прихода выбранного сигнала.- a signal is selected in each overlapping group with a maximum mutual energy and a zero phase tilt angle in the time-frequency region of its localization and the direction of arrival of the selected signal is fixed.
В устройстве 5 индицируются результаты обнаружения и локализации по частоте, времени и направлению прихода всего множества сигналов, одновременно попадающих в анализируемую частотно-временную область приема.The device 5 displays the results of detection and localization in frequency, time and direction of arrival of the entire set of signals simultaneously falling into the analyzed frequency-time region of reception.
Таким образом, за счет получения дополнительной информации, извлекаемой в широком секторе углов из одной реализации входных данных благодаря переходу от двухмерной локализации по частоте и направлению прихода к трехмерной локализации по частоте, времени и направлению прихода сигналов, обеспечившей повышение чувствительности и разрешающей способности, и вследствие введения операций:Thus, by obtaining additional information extracted in a wide sector of angles from one implementation of the input data due to the transition from two-dimensional localization in frequency and direction of arrival to three-dimensional localization in frequency, time and direction of arrival of signals, which provides an increase in sensitivity and resolution, and as a result introduction of operations:
- формирования комплексной двухмерной взаимной корреляционной функции принимаемых сигналов;- the formation of a complex two-dimensional mutual correlation function of the received signals;
- двухмерной фильтрации в корреляционной области;- two-dimensional filtering in the correlation region;
- формирования комплексных функций взаимной спектральной плотности для каждого ожидаемого направления прихода сигналов;- the formation of complex functions of mutual spectral density for each expected direction of arrival of signals;
- идентификации частотно-временных областей локализации сигналов для каждого ожидаемого направления их прихода,- identification of the time-frequency regions of signal localization for each expected direction of their arrival,
удается решить поставленную задачу с достижением технического результата.it is possible to solve the problem with the achievement of the technical result.
Источники информацииInformation sources
1. US, патент, 4626859, кл. G01S 5/04, 1986 г.1. US Patent No. 4,626,859, class. G01S 5/04, 1986
2. US, патент, 5955993, кл. G01S 3/02, 1999 г.2. US Patent, 5955993, CL G01S 3/02, 1999
3. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов: Учебник для вузов. 2-е изд. - СПб.: Питер, 2006.3. Sergienko A.B. Digital Signal Processing: A Textbook for High Schools. 2nd ed. - St. Petersburg: Peter, 2006.
4. Ширман Я.Д., Манжос В.Н. Теория и техника обработки радиолокационной информации на фоне помех. - М.: Радио и связь, 1981.4. Shirman Y.D., Manzhos V.N. The theory and technique of processing radar information against the background of interference. - M.: Radio and Communications, 1981.
5. Даджион Д., Мерсеро Р. Цифровая обработка многомерных сигналов. - М.: Мир, 1988.5. Dadzhion D., Mercero R. Digital processing of multidimensional signals. - M.: Mir, 1988.
Claims (5)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2006123178/09A RU2316015C1 (en) | 2006-06-29 | 2006-06-29 | Method for computer-interferometer localization of complex signals |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2006123178/09A RU2316015C1 (en) | 2006-06-29 | 2006-06-29 | Method for computer-interferometer localization of complex signals |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2316015C1 true RU2316015C1 (en) | 2008-01-27 |
Family
ID=39110115
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2006123178/09A RU2316015C1 (en) | 2006-06-29 | 2006-06-29 | Method for computer-interferometer localization of complex signals |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2316015C1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2470315C1 (en) * | 2011-04-28 | 2012-12-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский радиотехнический институт имени академика А.И. Берга" | Method for computer-interferometer detection-direction finding of radio signals with expanded spectrum |
CN113433688A (en) * | 2021-01-29 | 2021-09-24 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | Interference imaging method and system based on micro-lens array and photonic integrated chip |
-
2006
- 2006-06-29 RU RU2006123178/09A patent/RU2316015C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2470315C1 (en) * | 2011-04-28 | 2012-12-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский радиотехнический институт имени академика А.И. Берга" | Method for computer-interferometer detection-direction finding of radio signals with expanded spectrum |
CN113433688A (en) * | 2021-01-29 | 2021-09-24 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | Interference imaging method and system based on micro-lens array and photonic integrated chip |
CN113433688B (en) * | 2021-01-29 | 2023-03-24 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | Interference imaging method and system based on micro-lens array and photonic integrated chip |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Cohen et al. | Sub-Nyquist radar systems: Temporal, spectral, and spatial compression | |
Yoon et al. | High-resolution through-the-wall radar imaging using beamspace MUSIC | |
US10539645B2 (en) | Angle of arrival estimation | |
JP6177467B1 (en) | Radar operation with enhanced Doppler capability | |
Belouchrani et al. | Source separation and localization using time-frequency distributions: An overview | |
US10649080B2 (en) | Passive non-linear synthetic aperture radar and method thereof | |
US11131741B2 (en) | Method and apparatus for providing a passive transmitter based synthetic aperture radar | |
CN114428225B (en) | Multi-radiation source arrival angle measuring method and device based on quasi-matched filtering | |
CN112799012B (en) | Broadband interferometer lightning positioning method and system based on pulse matching | |
RU2524401C1 (en) | Method for detection and spatial localisation of mobile objects | |
RU2546329C1 (en) | Method for polarisation-sensitive detection of mobile objects | |
RU2337373C1 (en) | Method for azimuth resolution of moving targets, method for surveillance pulse radar set operation in azimuth resolution mode for moving targets, and radar system for method implementation | |
RU2316015C1 (en) | Method for computer-interferometer localization of complex signals | |
RU2529483C1 (en) | Method for stealth radar location of mobile objects | |
RU2316018C1 (en) | Method for detection of composite signals | |
RU2413236C1 (en) | Searching method of composite signals | |
CN105116241B (en) | A kind of Novel site equivalence darkroom measuring method | |
RU2319976C1 (en) | Method for search of composite signal transmitters | |
RU2471199C1 (en) | Method for passive detection of mobile objects | |
RU2510708C1 (en) | Radio-frequency radiation source direction-finding method | |
RU2713235C1 (en) | Method to increase accuracy of direction finding of radio-frequency sources by detector-direction finder with multiscale antenna system | |
RU2410707C2 (en) | Method of polarisation-independent detection and localisation of wideband radio signals | |
RU2792196C1 (en) | Method for measuring angular coordinates of moving objects with a doppler station | |
Cattenoz et al. | Adaptive processing methods for MIMO radar experimental signals | |
RU136191U1 (en) | DEVICE FOR INCREASING ANGULAR RESOLUTION OF MONOPULSE RADAR UNDER CONDITIONS OF EXPOSURE OF NOISE INTERFERENCE |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20090630 |