BISTATIC SAR WHICH PARASITIZE THE TV SIGNALS

Full Text

Последние годы характеризуются развитием новых технологий радиолокации, в основе которых «Инфокоммуникационные технологии» Том 11, № 2, 2013 14 Борисенков А.В., Горячкин О.В., Долгополов В.Н., Женгуров Б.Г. положен симбиоз методов синтеза апертуры антенны и многопозиционного наблюдения (МПРСА). Данные системы позволяют не только обнаруживать объекты в пространстве, определять их координаты и характеристики, но и реализовывать технологию радиовидения протяженных объектов в трехмерном пространстве наблюдения. Все это создает предпосылки для создания новых типов сетевых систем радиолокационного наблюдения, использующих элементы космического, авиационного, мобильного и стационарного наземного базирования. Среди МПРСА особенный интерес представляют системы, получившие в литературе название «РСА-паразиты», поскольку для решения целевой задачи эти системы используют чужие радиосигналы, иногда сигналы радиосистем, не являющихся собственно радиолокаторами. Например, это могут быть системы спутниковой навигации, системы космической связи, системы радио- и ТВ-вещания и т.п. Такой подход к созданию МПРСА привлекателен в экономическом отношении, так как часть элементов системы уже развернута. Кроме того, создаваемые элементы МПРСА могут быть пассивными, что обеспечивает высокую скрытность разворачиваемой системы, что, в свою очередь, может быть весьма актуальным для военных применений. Однако при использовании уже существующих, нерадиолокационных, систем возникают проблемы с синхронизацией приемо-передающей аппаратуры, трудности с цифровой обработкой сигнала. Инфор- Таблица 1. Параметры сигналов, используемых для построения РСА-паразитов Параметры FMра дио ТВве щание Базовые станции GSM- 1800 Системы GPS/ GLONAS Полоса частот, кГц 50 6000 1000 10000 Диапазон несущих частот, МГц 66 108 48,5 694 1805 1880 1164... 12154 1525 ... 1575 Потенциаль ное пространст венное разрешение, м 6000 50 300 30 мационные характеристики РСА-паразита, могут оказаться не очень хорошими, так как используемые сигналы не предназначены для радиовидения. Сравнительная характеристика параметров сигналов некоторых радиосистем, которые можно использовать для паразитического радиолокационного наблюдения, приведена в таблице 1. Рис. 1. Геометрия МПРСА, паразитирующей на сигналах ТВ-вещания В статье описывается эксперимент, проведенный в Поволжском государственном университете телекоммуникаций и информатики и иллюстрирующий некоторые особенности реализации МПРСА (в рассматриваемом случае бистатичес-кой РСА (БиРСА)), паразитирующей на ТВ-сиг-нале. Схема проведения эксперимента показана Таблица 2. Список каналов эфирного ТВ-вещания в г. Самаре Название Частота, мГц Номер канала стс 49,75 1 ОРТ 77,25 3 Терра Домашний 175,25 6 Скат ТНТ 183,25 7 РТР 199,25 9 НТВ 471,25 21 Петербург 487,25 23 Культура 503,25 25 РИО 519,25 27 Муз ТВ 583,25 35 ТВ-3 599,25 37 ТВЦ 679,25 47 Спорт 703,25 50 «Инфокоммуникационные технологии» Том 11, № 2, 2013 Борисенков А.В., Горячкин О.В., Долгополов В.Н., Женгуров Б.Г. 15 на рис. 2. Сигнал, излучаемый передатчиком ТВ-вещания, регистрируется в приемнике, который находится на движущемся объекте (в описываемом эксперименте это автомобиль), по двум каналам: прямой - непосредственно от телецентра; отраженный - после отражения от поверхности Земли. К интересным особенностям подобной реализации БиРСА можно отнести возможность одновременного зондирования подстилающей поверхности на различных несущих частотах (см. таблицу 2), в зависимости от выбранного телевизионного канала. Недостатком системы является сравнительно низкое пространственное разрешение (50-100 м). Описание экспериментальной аппаратуры Экспериментальный комплекс состоит из антенно-фидерного устройства (см. рис. 2), системы автономного электропитания, трехканального приемного устройства, подсистемы управления и регистрации, аппаратуры спутниковой навигации. Внешний вид трехканального приемника показан на рис. 3. Его размеры составляют 340*220*130 мм3, вес 3,5 кг. Корпус изготовлен из пластика коричневого цвета, потребляемая мощность устройства составляет 50 Вт. На внешней стороне корпуса расположены две декоративные решетки для осуществления вентиляции устройства, а также: шнур питания для подключения к сети переменного напряжения 220 В, включатель питания, отсек для предохранителя, разъем для подключения к СОМ-порту управляющего компьютера, три кабеля для подключения к регистрирующему устройству с разъемами. На верхней крышке устройства располагаются три отверстия для подключения внешних телевизионных антенн. Внутри корпуса располагаются входной фильтр питания, вентилятор, кроссплата. На кроссплате расположены трансформатор питания, блоки питания, радиаторы охлаждения, коммутационные разъемы, плата синхрогенератора, три платы контроллеров с тюнерами и усилителями, экранирующие металлические листы между платами. Трехканальный приемник состоит из нескольких основных блоков: контроллер управления тюнером, усилитель, блок питания, кроссплата. Контроллер управления предназначен для: управления тюнером, установки частоты телевизионного канала, изменения величины усиления принимаемого сигнала; измерения параметров принимаемого канала, амплитуды принимаемого сигнала, напряжения детектора канала, величины сигнала автоусиления; поддержки пакетов управления от персонального компьютера. Контроллер построен на основе однокристального микроконтроллера AT90PWM3 фирмы ATMEL. Микроконтроллер содержит 8-битное вычислительное ядро производительностью до 16 млн. операций в с, внутреннее ОЗУ объемом 1К, ПЗУ объемом 8К, 8-канальный 10-разрядный АЦП, 10-разрядный одноканальный ЦАП, драйвер последовательного канала, внутренний тактовый генератор. Данный микроконтроллер позволил построить компактный и достаточно многофункциональный контроллер, в котором осуществлена полная гальваническая развязка последовательного канала от персонального компьютера при помощи оптронных пар, что исключило попадание шумов от персонального компьютера по шине «земля». На входы АЦП через низкочастотные фильтры заведены сигналы амплитуды принимаемого сигнала, напряжения детектора канала, величины сигнала автоусиления. Измеряемая величина сигнала на входе АЦП не превышает 5 В, что соответствует величине 1023 на выходе АЦП. Сигнал управления усилением тюнера формируется на выходе ЦАП и изменяется от 0 до 5 В. Последовательный канал позволяет принимать и передавать пакеты со скоростью 9600 бод. На каждом контроллере, входящем в состав устройства, установлены переключатели, задающие адрес каждого контроллера, что позволяет управлять каждым контроллером в отдельности. Для данного контроллера был разработан оригинальный протокол обмена данными, позволяющий оптимально использовать программно-аппаратные ресурсы микроконтроллера. Рис. 2. АФУ МПРЛК, установленное на автомобиле «Инфокоммуникационные технологии» Том 11, № 2, 2013 16 Борисенков А.В., Горячкин О.В., Долгополов В.Н., Женгуров Б.Г. Блок усилителя предназначен для ограничения полосы принимаемого сигнала, усиления сигнала с ограниченной полосой до необходимого уровня, перехода от дифференциального выхода к несимметричному и согласования выходного сопротивления с выходной линией, детектирования амплитуды выходного сигнала. Принимаемый сигнал с выхода тюнера имеет широкий спектр 0 - 40 МГц. Полезный сигнал в принимаемом сигнале находится в полосе 30 - 38 МГц. Для выделения данного сигнала используется стандартный телевизионный ПЧ-фильтр, который дает достаточно большое ослабление сигнала. Для усиления достаточно широкополосного сигнала используется дифференциальный усилитель NE592 с полосой пропускания до 50 МГц и фиксированным коэффициентом усиления 100. Для согласования низкого входного сопротивления микросхемы NE592 и высокого ПЧ-фильтра установлены малошумящие широкополосные операционные усилители AD8091. Для перехода от дифференциального выхода к несимметричному и согласования выходного сопротивления с выходной линией с сопротивлением 50 Ом схема построена на малошумящем широкополосном операционном усилителе AD8091. Детектор амплитуды выходного сигнала предназначен для преобразования выходного сигнала в низкочастотный сигнал, позволяющий оценить амплитуду выходного сигнала. Детектор построен по схеме детектора с удвоением напряжения, а полученный сигнал усиливается операционным усилителем LM358 до необходимого для измерения уровня. Питание контроллера осуществляется от источника питания напряжением ±6 В и потребляет мощность 0,2 Вт. Для обеспечения питания трехканального приемника используются три независимых блока питания с напряжениями +5 В и выходным током до 3 А, три независимых блока питания с напряжениями ±6 В и выходным током до 100 мА, один источник питания на 12 В для работы вентилятора и выходным током до 0,5 А. Блок питания построен по компенсационной схеме с малыми величинами импульсных помех для уменьшения величины шумов на входе усилителя. Блок питания питается от сети переменного напряжения 220 В через фильтр подавления высокочастотных помех и потребляет мощность 50 Вт. Кроссплата обеспечивает крепление всех узлов и блоков трехканального приемника. Также на кроссплате располагается задающий генератор с частотой 4 МГц для синхронизации тюнеров и имеет трансформаторный выход с отдельными обмотками для каждого тюнера для устранения взаимного слияния между ними. Рис. 3. Внешний вид трехканального приемника Подсистема управления и регистрации (ПУР) входит в состав наземной аппаратуры и предназначена для: приема аналоговых сигналов от трех приемных устройств, оцифровки сигналов от трех приемных устройств на несущей частоте, упаковки входных отсчетов сигнала, снабжения отсчетов служебной информацией и записи данной информации на диск, анализа уровня сигналов, поступающих из приемных устройств, и формирования кода управления усилением двух приемных устройств. Аппаратная часть комплекса состоит из следующих частей: канал устройства первичной обработки (УПО), ПЭВМ, устройство хранения информации. Канал УПО состоит из базового несущего модуля FMC106P и мезонинного модуля АЦП FM412x500M. Алгоритм формирования изображений в МПРСА Геометрическая модель системы представлена на рис. 1. Здесь источник сигнала имеет координаты (x y zt). Приемник имеет координаты (x y , z ) и движется параллельно оси 0Y со скоростью V. Сигнал, излученный передатчиком, можно записать в следующем виде где ΰ^(ί) - комплексная огибающая ТВ-сигнала; й)0 - несущая частота сигнала. Сигнал, принятый по прямому каналу W = Gi №/v і* - τ\ (φΜ(ί“Τι(ί)) + щ (t), (2) где ηλ (ґ) - комплексный гауссовский шум прямого канала; <Ш) - вещественная весовая функция, учитывающая влияние диаграмм направленности «Инфокоммуникационные технологии» Том 11, № 2, 2013 Борисенков А.В., Горячкин О.В., Долгополов В.Н., Женгуров Б.Г. 17 приемной и передающей антенны в прямом канале, временная задержка сигнала в прямом канале *1 (*) = ^(Vfo ~ХгТ + (у, -Ут ~Vtl + (Z, ~Zr?y (3) Время задержки в отраженном канале определяется как 2 (t,X,y)=- \ ■ (4) (5) yj(xt -xf +{yt -yf +(ztf + J{xr -xf +{yr -y + vtf +{zr) Сигнал, отраженный от поверхности к W = JJG2 (t, X, yjs^ (t - r2 {t, X, y))^x, yjdxdy D +Йгй» где І(х,у) - коэффициент отражения элемента поверхности; ń2(t) - комплексный гауссовский шум отраженного канала; D - область отражения; G2(t,x,y) - вещественная весовая функция, учитывающая влияние диаграмм направленности приемной и передающей антенны в отраженном канале. Пусть восстанавливаемое изображение является реализацией случайного процесса (поля) с известным априорным распределением, тогда алгоритм восстановления для простой функции потерь совпадает с алгоритмом максимума апостериорной вероятности (МАВ), который с учетом особенностей задачи можно записать в виде £(х,у)= argmaxp(Ż(x,yb2(t)) = 1 (6) arg max p(ś2 (ί]ξ{χ, γ^ρ{ξ(χ,γ% где p{Ź{x,y\ś2{tj) - апостериорное распределение восстанавливаемого сигнала; p{ś2{t}Ź(x,y$ - функционал правдоподобия наблюдаемого изображения; ДІМ - априорное распределение восстанавливаемого изображения. Пусть восстанавливаемое радиолокационное изображение является реализацией гауссовского комплексного случайного процесса с корреляционной функцией Bç(xj,х2,У\,У2) и нулевым математическим ожиданием. Шум в уравнении (5) также является гауссовским случайным процессом с корреляционной функцией В и нулевым математическим ожиданием. Тогда мы можем записать функционал апостериорного распределения наблюдаемого сигнала в виде р(|(х,;и)|і2(г)) = Схехр “ JJG2 -T2{tx,x,y))Ź{x,y)(My < f ' h(k)-\\Сг(к’х’У)К(к-r2{t2,x,y))Ź{x,y)dxdy . V D , *ехрЦ jjjfefayiWfaaiA’Cb)? {^2,y^äx^dyxdy2 L >x ώχΛ2 (7) где Βξ l{xl,yl,x2,y2) и Вп 1 (/,,t2) - обратные корреляционные функции радиолокационного изображения и шума соответственно. Продифференцируем логарифм полученного функционала по искомому сигналу: d ln ^ p (| (x,^)|i2 (ί))) = JJ JJg2 (t2,x,y)s*tv (i2 - τ2 (t2,x,y))g (x,y)x D xB„2 1 (^ >^2)^2 (*i )dxdydt1dt2 - - JJ JJ JJG2 ('l^l^lHv (*1 - τ2 {Ч’Х1>Уі))І (*1.*2)Х (8) D D xG2 (t2’x2’y2)s*,v (ł2 - τ2 (ł2’x2 ’У 2)) S {χ2^2)άΧιάγχάχ2άγ2άί^2 ~ JJ JJ^ (χΐ’^ι)5ί 1 (хі>Уі’хг>Уг)8 (*г » У 2 ) dx1dx2dy1dy2. «Инфокоммуникационные технологии» Том 11, № 2, 2013 18 Борисенков А.В., Горячкин О.В., Долгополов В.Н., Женгуров Б.Г. Для нахождения решения приравняем полу- равенство должно выполняться для любой функ-ченный дифференциал к нулю и учтем, что это ции g(x2,y2)> тогда °=\\G2[t2,x,y)s*\*і*г)*г{*^л\л2 (9) -\\\\с2ІНЛ’Л)^[\-т2І\Л’У\))вщ \нь)КхгЛ%ІЬ’хтУіУ D 2 4 ' _ ίΚ(*1 >Уі )Βξ~1 (■χ\ >У\ Jt,y)dxydyv 1 2 Пусть Bf1 (xj,yl,x2,y2) = — δ(χ1 - x2,y1 - y2) и В _1 {ίγ,ί2) = —δ{ίγ~ί2), тогда получим сле- Q дующее выражение ξ(χ,γ)= X^G2{tl,x,y)s\{tl -τ^^χ,γ))^^^^ - ~ Я Я (ί °2 ^ ’ Уі )Ś* ^ " Tl ^ ’ χι ’ )))Х (10) D х G2 (д, X, y )s *tv (tl - τ2 , X, y ))dt )ξ(χ1} yx )dxxdy, где λ = ^ Nn Полученное выражение является интеграль- тельно искомого радиолокационного изображе-ным уравнением Фредгольма 2-го рода относи- ния. В последнем выражении интеграл F[xrx2,yry2)=(11) является функцией неопределенности бистати- тогда ческой РСА, паразитирующей на ТВ-сигнале. Обозначим ξ0(χ,γ) = λ^ΰ2(/,,х,уУ*(/, -τ2(/,,X,y))ś2(ί,)*,, тогда (12) ф,;и)=4 D \ <?( \ выполняется наиболее близкое пр Если бы F(xl,x1,yl,y2) = S(xl-x2,yl-y2), ξ (Х’УІ - 4 (*>·>') ^F(â) + +a2f(f(4>)) -a3f(f(f(4,))) t...<14) Рассмотрим альтернативный путь построения оценки РЛИ, не требующий итерационного процесса. Для этого рассмотрим задачу выбора линейного фильтра, при котором выполняется наиболее близкое приближение то искомая оценка изображения имела бы вид £(x>y)=T-^jŚo(x’y)· 1 + л (13) Сигнал, отраженный от поверхности, можно представить в виде śh2 (ή = JpA (* » уЖх’ y)dxdy + ń\ (ή, где Однако в [1] показано, что форма данной функции в сечении задержки далека от ^-функции и не годится для формирования радиолокационного изображения. Искомую оценку можно получить в виде итерационного процесса известным способом из (13). Обозначим Г(|)= JJF(* і>х2> Уі> У2~)^(хі> Уі^dX\<fy\ , D śh(t\x,y) = Jg2(î,x,^)4(î-t2(î,x,^))x (15) тогда F(xl,x2,yl,y2)= Jih(t',x,y)s*h(t',x,y)dt(16) «Инфокоммуникационные технологии» Том 11, № 2, 2013 Борисенков А.В., Горячкин О.В., Долгополов В.Н., Женгуров Б.Г. 19 Несколько упростим задачу. Пусть в области формирования радиолокационного изображения G2{tx,x,y) = 1 , что наиболее характерно для диапазона УКВ. Тогда где (19) h (*') = fa (* Ж* “ » С18) » X2 » Уі >У2 ) = jX (*-τ2 (t,*l » У\ )):* * X5a (t-T2(t,X,y))dt. Заметим, что на интервале обработки информации (t2 — tx ) всегда можно выделить N участков длительностью T, на которых функцию T2{t,x,y) можно считать кусочно-постоянной, тогда справедливо следующее выражение: JV-l О41)7" ^ F(x1,x2,yl,y2)=Yd jśh(t -τ^ί,,χ^,γ^Κί -т2^,х,у))сИ. (20) i=0 ІТ Воспользуемся равенством Парсеваля для преобразования Фурье и получим 1 N-L +0° « F(x,,x,,y„y,) = ^-Z JMH>(»| 2 я- ,·=о (21) Рис. 4. Влияние весовой функции на изображение точечной цели: без весовой функции, -+- окно Хэмминга, — окно Наталла; по оси абсцисс отложено расстояние в метрах по оси ОХ „ л / . м Пусть выполняется условие В этом выражении ІДубоІ - спектральная плот- 7 7 ность комплексной огибающей ТВ-сигнала на интер вале времени (iT,(i +), H(jœ) - передаточная функция искомого фильтра на несущей частоте, то есть μ(ω) (23) H(jm)= ^h(t)e j(a a^dt. (22) где μ(ω) - заданная весовая функция. Тогда I N -1 F(x1,x2, Уі,У2)= —Σ \β](ω-ω°)(·τΛ,"χ'’ν')-τΛ,>'χ'γ))άω = 2π fo _ί Ν-1 (24) = Σ м(т2(!і>Хі>Уі)- *г(*і>Х>уУ)е - j<° О (г2 0, >*1 ,У\ У* 2 0, .* >У )) і-0 Последнее выражение, очевидно, являет- Таким образом, мы показали, что для комся функцией неопределенности бистатической пенсации особенностей функции неопре- РСА, в которой в качестве зондирующего сигна- деленности телевизионного сигнала можно ла используется последовательность импульсов с провести фильтрацию с адаптивным выравпериодом повторения T. ниванием АЧХ. «Инфокоммуникационные технологии» Том 11, № 2, 2013 20 Борисенков А.В., Горячкин О.В., Долгополов В.Н., Женгуров Б.Г. Алгоритм оценивания в данном случае будет иметь вид è(x>y)= 1+λ (25) х{в2(*1>Х’У) sh (a - τ2 (a > y)№ h H ■ Однако после фильтрации аддитивный шум становится окрашенным, в соответствии с корреляционной функцией корректирующего фильтра Nn в 4а-^) = — и‘и г) Απ (26) что означает более низкую помехоустойчивость данного алгоритма по сравнению с оптимальным алгоритмом (14). Для построения оценок (14) или (26) необходимо иметь (V). Получим ^(ί) из сигнала прямого канала который фактически является оценкой максимального правдоподобия искомого сигнала. В этом случае мы сохраним оптимальность алгоритма МАВ (14) в соответствии с известным положением адаптивного байесовского оценивания [3]. Оценка радиолокационного изображения (24) в этом случае примет вид x -_N 'l+λ X JG2 (t,x,y)s\h [t-T2 (t,x,y) +7І (t))Ą (ί)ώ. (27) Результаты экспериментальной отработки БиРЛК Экспериментальные работы с БиРСА, паразитирующем на ТВ-сигнале, проводились в условиях городской застройки в условиях перепада высот от 40 до 140 м над уровнем моря. На рис.4 показаны результаты наземного стационарного эксперимента, в котором показана возможность различения точечных целей по отраженному ТВ-сигналу, а также результаты выбора весовой функции в выражении (23). На левом изображении в логарифмическом масштабе показана нормированная автокорреляция фильтрованного сигнала в сечении дальности для случая отсутствия весовой функции, использования в качестве весовой функции окна Хэмминга, Наталла в частотной области. На правом изображении показан реальный сигнал, отраженный от здания и принятый в лаборатории на расстоянии 225 м друг от друга. Из рис. 4 следует низкая эффективность весовой обработки в сечении дальности. Рис. 5. Дифракционные максимумы в сечении дальности; на оси абсцисс - расстояние по оси OX, м Рис. 5 иллюстрирует величину зоны однозначности по оси дальности OX, которая зависит от свойств телевизионного сигнала и составляет величину примерно 20 км. На рис. 6 показан алгоритм формирования коэффициента передачи корректирующего фильтра. Рис. 6. Алгоритм оценки коэффициента передачи корректирующего фильтра в частотной области Рис. 7. Алгоритм коррекции сигнала в частотной области «Инфокоммуникационные технологии» Том 11, № 2, 2013 Борисенков А.В., Горячкин О.В., Долгополов В.Н., Женгуров Б.Г. 21 1>. Рис. 8. РЛИ БиРЛК, паразитирующего на сигналах ТВ-вещания, а) 50 канал; Ь) 9 канал;, с) 3 канал; d) изображение Google maps с отмеченным точками маршрутом автомобиля На рис. 8 показаны РЛИ местности, полученные БиРЛК, паразитирующего на сигналах ТВ вещания. Шаг между пикселями изображения 25*25 м2. Автомобиль двигается по мосту на высоте 8-14 м в прямой видимости телецентра со скоростью 2035 м/с. На изображениях видны отражения от некоторых высотных зданий и сооружений. Заключение В работе показана возможность реализации БиРЛК, паразитирующего на сигналах ТВ-вещания, обеспечивающего формирование радиолокационного изображения с пространственным разрешением 50-100м в полосе до 20 км в радиусе до 50 км от телецентра одновременно в нескольких диапазонах частот дециметрового и метрового диапазонов. В работе приведены радиолокационные изображения местности, полученные с движущегося автомобиля, что ограничивает объектовый состав изображений теми, для которых выполняется условие прямого распространения сигнала. Размещение данной аппаратуры на летательном аппарате обеспечивает преодоление данных ограничений.

About the authors

A. V Borisenkov

Email: tors@psati.ru

O. V Goryachkin

Email: gor@psati.ru

V. N Dolgopolov

Email: tors@psati.ru

B. G Zhengurov

Email: loir47@rambler.ru

References

Supplementary files