Повышение эффективности защиты от боеприпасов с радиовзрывателями на основе реализации методов пространственно-временной обработки сиг

    Очевидно, что для оптимальной работы СПР необходим следующий алгоритм работы антенны:

1. При приеме сигнала антенна работает так, что ее диаграмма направленности распределена равномерна по всем направлениям.
2. При излучении сигнала антенна работает так, что ее диаграмма направленности имеет один лепесток в направлении излучения сигнала.
3. Если известно помеховое направление, то на протяжении всей работы антенны необходимо реализовывать максимизацию главного лепестка диаграммы направленности в данном направлении.

 

     3. ОБОСНОВАНИЕ ПРЕДЛОЖЕНИЙ ПО УВЕЛИЧЕНИЮ ДАЛЬНОСТИ ДЕЙСТВИЯ СПР

    3.1. Разработка аналитической  модели

    Перед созданием компьютерной имитационной модели управления ДН адаптивной АС панорамного радиоприемника, необходимо описать аналитическую модель. Далее модель проверяется в математической программной среде MathCAD, при адекватности полученных результатов разрабатывается алгоритм реализации модели в среде программирования.

    В качестве варианта построения ААС выберем  систему, использующую кольцевую АР, АЭ которой идентичны и всенаправленные (см. рис. 3.1).

    

    Рис. 3.1. Иллюстрация основных соотношений для определения фазовых сдвигов в кольцевой АР

    Сигнал, поступающий на АР, на каждом k – том элементе АР имеет фазу, которая отличается на , и на выходе сигнал представляется в векторной форме:

     ,                                                                 (3.1)

где - амплитуда сигнала, - фаза сигнала на k-том АЭ, - круговая частота сигнала. За счет различных откликов сигнала на каждом АЭ, разнесенных пространственно, в разрабатываемой модели осуществляется пространственно-временная обработка сигналов.

    Следует выделить два этапа функционирования предлагаемой ААР [15]. Первый этап контроля, на этом этапе в заданном секторе пространства формируется широкая ДН, при обнаружении сигнала в заданном секторе система переходит на второй этап оценивания, на котором происходит формирование узкой ДН в направлении обнаруженного сигнала, после оценки сигнала и его записи, система возвращается на этап контроля. Далее рассмотрим подробнее аналитику функционирования системы.

    Широкая ДН достигается за счет формирования ВВК с использованием опорного вектора, который получают на основании исходных данных, устанавливаемых оператором, таких как азимуты на опорные сигналы, задающие сектор пространства. В элементах АР отклики -го сигнала имеют фазовые сдвиги , , , величины которых рассчитываются с использованием соотношений радиуса круга антенного массива , длины волны сигнала , а также направлений прихода электромагнитных волн, и определяется следующей общей формулой:

                ,                                 (3.2)

    где - сдвиг фазы -го сигнала в -ом АЭ относительно центра АР.

    На  основании фазовых сдвигов вычисляются  векторы сигналов:

                            ,                                                                  (3.3)

где - вектор i - го сигнала; - амплитуда i - го сигнала; - фазовые сдвиги сигнала в k–ом АЭ.

    Для обеспечения возможности обработки  информации, заложенной в набеге (сдвиге) фазы, необходимо сформировать (вычислить) корреляционную матрицу сигналов, поступающих на АС, элементы которой являются функциями взаимной корреляции (а в диагональных элементах - автокорреляции) сигналов в соответствующих АЭ [16]. Формирование корреляционной матрицы осуществляется операцией комплексного умножения векторов сигналов на эрмитово сопряженные вектора:

                          , (3.4)

где ; I – число откликов сигналов в АР; - вектор одного сигнала; N – количество АЭ, составляющих АР (число каналов обработки); u_k – отклик сигнала в одном АЭ; + - знак Эрмитова сопряжения.

    Одновременно  с сигналами на выходе АС присутствуют шумы, корреляционная матрица которых имеет следующий вид:

             = , (3.5)

где корреляционная матрица шумов.

    Введем  определение ковариационной матрицы, являющейся корреляционной матрицей нормированной к мощности шумов Р_Ш.

    Для рассматриваемого случая ковариационная матрица на выходе формирователя при наличии M сигналов РЭС имеет вид:

                                                                 (3.6)

    В общем случае ковариационная матрица  входного сигнала имеет вид:

       (3.7)

где _., – фазовые сдвиги сигнала на i-том АЭ относительно j-го , определяются по формуле

          , , , (3.8)

 – расстояние между АЭ; – номера АЭ; – длина волны сигнала; – азимут ИРИ; – угол между нормалью к линии, соединяющей АЭ и направлением, принятым за начало отсчета; – угол места.

    Для трехэлементной АР ковариационная матрица  одного сигнала без шумов имеет  вид:

        (3.9)

где q_i=P_i/P_ш..

    Оптимальный вектор весовых коэффициентов  обеспечивает требуемое положение главного лепестка ДН по критерию максимизации отношения сигнал/шум и определяется значениями элементов ковариационной матрицы сигналов и направляющего вектора

                      ,                                              (3.10)

где – параметр (комплексное число) ААС в установившемся режиме.

    Управление  положением главного лепестка ДН в  направлении контролируемого сектора осуществляется направляющим вектором с помощью опорного вектора

     ,        (3.11)

    где – амплитуда сигнала в АЭ, – фазовый сдвиг опорного сигнала в i-м АЭ относительно j-го.

    На  основе разработанной аналитики  модель функционирует на первом этапе контроля в заданном секторе с помощью формирования широкой ДН. На этапе оценки сигнала формирование узкой ДН в направлении обнаруженного сигнала происходит на основе анализа разностной ковариационной матрицы входных воздействий.

    Очевидно, что матрица Ф_хх является функцией времени, поскольку сигналы РЭС имеют конечную длительность. Сравнение ковариационных матриц, сформированных на соседних временных интервалах, позволяет получить разностную ковариационную матрицу, элементы которой содержат информацию о параметрах появившегося или пропавшего сигнала. Разностную матрицу можно вычислить по формуле [16]:

                   ,                             (3.12)

где t - длительность временного интервала, на границах которого формируются матрицы для сравнения.

    Длительность  интервала t должна удовлетворять двум противоположным требованиям: интервал t должен быть настолько малым, чтобы количество сигналов на входе АР не изменилось более чем на один, но достаточным, чтобы вычислить разностную матрицу. Поэтому численное значение интервала t зависит от условий РЭО и технических характеристик устройства, реализующего алгоритм поиска.

    В результате выполнения операции (3.12) возможны три исхода [16]:

    1. За время t число сигналов, воздействующих на АР, не изменилось – L(t) = L(t-t), тогда DФ_хх является нулевой матрицей.

    2. За время t число воздействующих на АР сигналов уменьшилось на один: L(t)-L(t-t) = -1. Тогда DФ_хх является отрицательной матрицей.

    3. За время t число воздействующих на АР сигналов увеличилось на один: L(t)-L(t-t) = 1. В этом случае DФ_хх положительна.

    Поскольку значение интервала t выбрано так, что вероятность появления или исчезновения более чем одного сигнала за этот промежуток времени пренебрежимо мала, то разностная матрица представляет собой корреляционную матрицу появившегося или исчезнувшего сигнала. При этом знак матрицы позволяет определить: появился сигнал или исчез. Элементы матрицы содержат информацию о признаках этого сигнала: частоте, ширине спектра, амплитуде, направлении прихода. Направление на обнаруженный сигнал может быть вычислено путем анализа (3.12) и использования (3.8).

    Сведения  о направлении необходимы для  определения нового направляющего вектора , обеспечивающего ориентирование узкого лепестка ДН в направлении источника обнаруженного сигнала:

          ,     (3.13)

    Далее требуемые показатели результирующей ДН определяются вновь сформированным ВВК  .

    Таким образом, для устранения неоднозначности  направления принимаемого сигнала, выбирается вариант ААС в виде кольцевой АР. Формирование и обработка корреляционных матриц позволяет принять решение об обнаружении ИРИ, а вычисленные параметры сигнала определяют направляющий вектор, с помощью которого осуществляется управление формой ДН.

    3.2. Разработка алгоритма  для работы имитационной  модели

    Полученная  аналитическая модель позволяет  решить поставленную задачу и приступить к разработке алгоритма программной модели адаптивной антенной системы. Основным требованием к алгоритму является возможность управления формой ДН АС панарамного обнаружителя в зависимости от текущей РЭО. Он должен обеспечивать широкий лепесток ДН на этапе контроля и формирование узкого лепестка в направлении обнаруженного источника радиоизлучений на этапе оценивания.

    Первоначальным  шагом в реализуемом алгоритме  определен ввод следующих исходных данных: положение устройства обнаружения на карте местности и установка на пульте управления азимутов сектора, в котором будет осуществлять поиск излучателя радиовзрывателя. На следующем шаге происходит обработка введенных данных, в результате чего запоминается контролируемый сектор, далее следует вычисление опорного вектора, представляющего собой массив опорных азимутов. Таким образом, сформированный вектор передается в процедуру отвечающую за построение диаграммы направленности требуемой формы, причем форма и ширина лепестка зависит от этапа работы модели.

    Этапами функционирования могут быть контроль и оценивание, решение о дальнейшем шаге алгоритма принимается в блоке выбора на основании текущего этапа работы, который может быть определен по полученному ранее опорному вектору азимутов. В начале работы по умолчанию модель работает в режиме контроля, поэтому в данном блоке принимается положительное решение и управление передается в блок выбора завершения работы, так как требуется продолжение контроля, то в нем принимается отрицательное решение и осуществляется переход на следующий шаг.

    Далее следует цепочка линейных блоков-процедур, первый из них блок получения новой корреляционной матрицы задержанной на интервал времени t, следующий шаг получение разностной корреляционной матрицы, путем вычитания из вновь сформированной записанной в памяти предыдущей корреляционной матрицы. Затем новая матрица, задержанная на интервал времени, записывается в память как текущая корреляционная матрица. На следующем шаге алгоритма в блоке решения о появлении сигнала выбор осуществляется на основании анализа разностной корреляционной матрицы. При отсутствии ИРИ происходит передача управления на блок установки сектора контроля, следовательно, алгоритм продолжает работу в режиме контроля и выполняются описанные выше действия. При обнаружении ИРИ управление передается в следующий блок вычисления азимута обнаруженного сигнала. Этот параметр необходим для получения нового опорного вектора азимутов, эта процедура осуществляется на следующем шаге работы модели, при этом режим работы переключается на этап оценивания обнаруженного сигнала.