Потенциальные возможности пространственно-корреляционного способа обработки сигналов в декаметровом диапазоне

В настоящее время большой интерес представляют радиотехнические системы декаметрового диапазона способные обнаруживать слабый сигнал на фоне помех. Известно, что процесс приема и обработки сигналов сопровождается наличием естественных и искусственных помех. В силу ограниченных возможностей существующих средств обнаружения и связи возникают ситуации, когда уровень сигнала на входе приемника равен или меньше уровня помех. Выделить такой сигнал весьма затруднительно. Существующие технологии обработки сигналов, основанные на расширении базы сигналов, в принципе, позволяют повысить чувствительность радиотехнической системы. Однако, в силу ограниченности ширины спектра сигналов в декаметровом диапазоне из-за наличия дисперсионных искажений, в этом случае резко снижается пропуская способность каналов связи. Решить данную проблему можно за счет применения пространственно-корреляционного способа обработки (рис. 1), который строится на базе дискретной приемной системы, построенной на основе использования антенной решетки (АР) с трактом обработки выходных сигналов, включающим блок усиления, многоканальный аналого-цифровой преобразователь, блок временных задержек, тракт корреляционной обработки и устройство принятия решения (УПР).

В такой системе сигнал источника излучений поступает на пространственно-разнесенные элементы АР. Далее выходные сигналы подвергаются предварительной фильтрации, усиливаются и преобразуются в цифровую форму, откуда они поступают в блок временных задержек. В блоке временных задержек осуществляется формирование характеристики направленности и сканирование пространства путем введения искусственных временных задержек τ_i во входные сигналы. Ввод временных задержек на каждом этапе сканирования виртуально позиционирует элементы АР на одну линию ортогонально направлению прихода сигнала (см. рис. 1).

В тракте корреляционной обработки производится оценка функций взаимной корреляции (ФВК) сигналов с выходов всех пар элементов АР с последующим их суммированием:

                                               (1)

где  — среднеквадратическое отклонение напряжений сигналов и помех на выходах элементов АР;

 — коэффициенты взаимной корреляции (КВК) напряжений сигналов и помех на выходах разных элементов АР;

 — компенсационные и естественные временные задержки сигналов, обусловленные разностью времени распространения сигнала до элементов АР;

I ‒ количество элементов АР.

Рис. 1. Функциональная схема основных узлов пространственно-корреляционного способа обработки

Выходное напряжение сумматора поступает на вход УПР. Решение о наличии или отсутствии полезного сигнала принимается по результатам сравнения входного сигнала с пороговым уровнем в УПР, величина которого зависит от заданных значений вероятностных характеристик обнаружения сигнала.

В работе [2] получено выражение, определяющее вероятность пропуска цели P_пр для рассмотренного выше пространственно-корреляционного способа обработки при условии гауссового закона распределения обработанного сигнала на входе УПР:

                                                    (2)

где – интеграл вероятности;

 — обратная функция интегралу вероятности;

q — отношение эффективного значения напряжения сигнала к помехе ();

L — количество корреляторов, ;

K — объем выборки.

Из выражения (2) видно, что вероятность пропуска цели P_пр УПР определяется объемом выборки K, количеством корреляторов L, отношением сигнала к помехи q и в большей степени зависит от пространственно-корреляционных свойств сигналов ρ_s.ij ипомех ρ_n.ij.

Экспериментальные исследования, проведенные в работе [3], показали, что значения КВК сигналов декаметрового диапазона при пространственном разносе антенн до 500 м остаются высокие (рис. 2) и изменяются в зависимости от частоты сигнала в небольших пределах: 0,81 ÷ 0,85.

Рис. 2. Экспериментальные пространственно-корреляционные зависимости КВК сигналов c центральной частотой 3,2 МГц и помех в области 3,3 МГц

В свою очередь значения пространственно-корреляционной связи помех сохраняются на небольших расстояниях: величина пространственного интервала корреляции составляет не более 4 м (см. рис. 2). При разносе антенн на расстояние, превышающее интервал корреляции помех d₀, наблюдается флуктуация амплитуды КВК вдоль оси абсцисс в пределах ± 0,1, причем с расширением полосы фильтрации входных процессов пространственный интервал корреляции и амплитуда флуктуаций КВК уменьшаются.

Используя выявленные закономерности, можно подобрать такую конфигурацию антенной системы, при которой корреляционная связь для сигналов будет высокой, а для помех, в случае расположения элементов АР на расстояниях, превышающих пространственный интервал d₀, принимать минимальные значения или взаимно компенсироваться, за счет разных знаков КВК помех [см. второй член выражения (1)]. При выполнении этих условий, вероятностные характеристики пространственно-корреляционного способа обработки в большей степени будут зависеть от пространственно-корреляционных свойств помех ρ_n.

На рис. 3 приведен пример зависимости вероятности пропуска цели Р_пр от величины взаимной корреляции помех ρ_n.ij, с учетом описанных выше результатов исследований пространственно-корреляционных свойств сигналов и помех для одного из вариантов построения системы с пространственно-корреляционным способом обработки.

Рис. 3. Зависимость вероятности пропуска цели от коэффициента корреляции помех

Из рис. 3 видно, что при снижении взаимной корреляции между помехами ρ_n.ij уменьшается вероятность пропуска цели Р_пр и, соответственно, повышается вероятность правильного обнаружения сигнала (P_обн = 1 — Р_пр), в частности, при ρ_n = 0,1 в системах обнаружения потенциально можно достигнуть вероятность пропуска цели менее P_пр = 10–⁵.

В работе [3] приведены результаты численного и имитационного моделирования характеристик для одного из вариантов реализации рассматриваемого способа обработки, некоторые результаты которых представлены в табл. 1.

Таблица 1

Параметры и характеристики пространственно-корреляционного способа обработки

Как видно из табл. 1. данный способ обработки позволяет при отношении уровней сигнала к помехе менее 1 (q= –4,4 ÷ –2 дБ) выделить сигнал на фоне помех, т. е. обладает повышенной энергетической чувствительностью. Кроме того, применение данного способа позволяет существенно снизить количество элементов в АР, по сравнению с действующими системами обнаружения, в которых для достижения представленных в табл.1 характеристик требуется не менее 256 элементов.

Литература:

1.    Киншт Н. В., Долгих В. Н., Орощук И. М. и др. Поисковые исследования принципов построения дискретных антенных систем со случайно расположенными элементами для перспективных радиотехнических средств коротковолнового диапазона: отчет о НИР «Шаланда». — Владивосток: ИАПУ ДВО РАН; ТОВМИ, 2007. — 114 с.

2.    Долгих В. Н., Орощук И. М., Прищепа М. В. Вероятностные характеристики обнаружения сигналов корреляционным пространственным фильтром // Акустический журнал. — М. — 2007. — № 2. — С. 226‒232.

3.    Долгих В. Н. Пространственно-корреляционные свойства сигналов и помех декаметрового диапазона / В. Н. Долгих, И. М. Орощук, А. Н. Сучков; под ред. В. С. Колмогорова. — Владивосток: Филиал ВУНЦ ВМФ «ВМА им. Н. Г. Кузнецова», 2013. — 112 с.: ил.