radioelectronicsИзвестия высших учебных заведений России. РадиоэлектроникаJournal of the Russian Universities. Radioelectronics1993-89852658-4794Saint Petersburg Electrotechnical University10.32603/1993-8985-2020-23-6-43-58radioelectronics-477Research ArticleРАДИОЛОКАЦИЯ И РАДИОНАВИГАЦИЯRADAR AND NAVIGATIONХарактеристики обнаружения параметрического метода обработки сигналов в неэквидистантной антенной решетке транспортируемой декаметровой радиолокационной станцииDetection Characteristics of the Parametric Method of Signal Processing in a Sparse Antenna Array of a Transportable Decameter Range Radarhttps://orcid.org/0000-0002-3438-1361КутузовВ. М.KutuzovV. M.

Кутузов Владимир Михайлович – доктор технических наук (1997) электротехнического университета "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина), президент университета. Автор более 270 научных и учебно-методических публикаций в отечественных и зарубежных изданиях, в том числе – 2 монографии, 12 авторских свидетельств и патентов. Сфера научных интересов – радиолокация.

ул. Профессора Попова, д. 5, Санкт-Петербург, 197376

Vladimir M. Kutuzov, Dr. Sci (Eng.) (1997), Professor, Head of the Department of Radio Engineering Systems, President of the University, authored more than 270 scientific and educational publications in Russian and foreign magazines, including 2 monographs, 12 author's certificates and patents. Area of expertise: radiolocation. 

5 Professor Popov St., St Petersburg 197376

vmkutuzov@etu.ruhttps://orcid.org/0000-0003-0814-5370ОвчинниковМ. А.OvchinnikovM. A.

Овчинников Михаил Александрович – магистр по направлению "Радиотехника" (2019), аспирант кафедры радиотехнических систем. Автор одной научной публикации. Сфера научных интересов – радиолокация.

ул. Профессора Попова, д. 5, Санкт-Петербург, 197376 

Mihail A. Ovchinnikov, Master in Specialty "Radio Engineering" (2019, Saint Petersburg Electrotechnical University), postgraduate student of the Department of Radio Engineering Systems, authored of one scientific publication. Area of expertise: radiolocation.

5 Professor Popov St., St Petersburg 197376

mixovchinnikov@list.ruhttps://orcid.org/0000-0002-4156-0317ВиноградовЕ. А.VinogradovE. A.

Виноградов Евгений Алексеевич – доктор наук (2017), научный сотрудник кафедры электротехники факультета инженерно-технических наук. Автор более 20 научных публикаций в международных журналах и на конференциях. Сфера научных интересов – моделирование распространения радиоволн, многоантенные системы, так же средства обнаружения и связи с беспилотными летательными аппаратами. 

KU Leuven, Kasteelpark Arenberg 10, 3001 Leuven, Belgium.

Evgenii A. Vinogradov, PhD (2017), research associate of electrical engineering department (ESAT). His doctoral research interests focused on multidimensional radio propagation channel modeling. He has authored over 20 publications in major academic journals and conferences. Area of expertise: MIMO systems, wireless communications with UAVs, UAV detection.

KU Leuven, 10 Kasteelpark Arenberg, 3001 Leuven, Belgium

evgenii.vinogradov@kuleuven.beСанкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина)РоссияSaint Petersburg Electrotechnical UniversityRussian FederationЛевенский католический университетБельгияKU LeuvenBelgium2020291220202364358Copyright © Кутузов В.М., Овчинников М.А., Виноградов Е.А., 20202020Кутузов В.М., Овчинников М.А., Виноградов Е.А.Kutuzov V.M., Ovchinnikov M.A., Vinogradov E.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://re.eltech.ru/jour/article/view/477Введение

Введение. Рассматривается возможность применения модифицированных параметрических методов пространственной обработки сигналов в неэквидистантной антенной решетке (НЭАР) приемной позиции транспортируемой загоризонтной (ЗГ) радиолокационных станций (РЛС) декаметрового (ДКМ) диапазона, предназначенной для всепогодного дистанционного мониторинга шельфовой зоны. При оперативном развертывании ДКМ РЛС на неподготовленном побережье часто возникают проблемы эквидистантного расположения антенных элементов (АЭ). В случае неэквидистантного расположения АЭ при согласованной пространственной обработке в диаграмме направленности (ДН) возникают интерференционные боковые лепестки (БЛ), уровень которых может существенно превышать допустимый или расчетный для эквидистантной АР. Известной альтернативой согласованной обработке являются параметрические методы спектрального анализа, основанные на применении моделей с конечным числом параметров, однако их прямое применение требует эквидистантной выборки пространственного сигнала.

Цель работы

Цель работы. Целью исследований является разработка и анализ метода параметрической обработки пространственных сигналов НЭАР, АЭ которой расположены на линии со случайным шагом в пределах от λ/2 до нескольких λ, где λ – длина волны ДКМ РЛС.

Материалы и методы

Материалы и методы. При построении характеристик обнаружения (ХО) использовалось компьютерное моделирование в среде MatLab, достоверность которого подтверждалась построением известных и теоретически рассчитанных ХО.

Результаты

Результаты. Разработан метод, включающий в себя процедуру восстановления (синтезирования) искусственного сигнала эквидистантной АР с последующим применением параметрического алгоритма Берга для получения оценки углового спектра пространственных частот. Для доказательства применимости параметрического метода обработки сигналов НЭАР в задаче обнаружения локационных сигналов были получены ХО и было проведено их сравнение с оптимальными.

Заключение

Заключение. Полученные результаты доказали субоптимальность параметрического метода обработки сигналов в НЭАР при случайном шаге расположения АЭ в пределах от λ/2 до 3λ, что позволяет рекомендовать его для применения в транспортируемых ДКМ РЛС.

Introduction

Introduction. The possibility of application of modified parametric methods of spatial signal processing in a sparse antenna array (SEAA) of the receiving position of transportable over-the-horizon decameter range radar (DRR) intended for all-weather remote monitoring of the shelf zone is considered in this paper. With an operational deployment of DRR on unprepared coast, problems of the equidistant location of antenna elements (AEs) often arise. In the case of nonequidistant AEs location and matched spatial processing, antenna pattern has interference sidelobes, which level can significantly exceed the allowable or calculated one for an equidistant AA. A well-known alternative to matched processing are parametric methods of spectral analysis based on the using of models with a finite number of parameters, but their direct application requires an equidistant sampling of the spatial signal.

Aim

Aim. The aim of the research is to develop and analyze the method of parametric processing of spatial signals of the SEAA which AEs are located on the line with a random step in the range from λ/2 to several λ, where λ is the DRR wavelength.

Materials and methods

Materials and methods. To construct the detection characteristics (DC) computer modeling in the MatLab environment, the reliability of which was confirmed by the construction of known and theoretically calculated DC, was used.

Results

Results. The developed method includes a procedure of restoring (synthesizing) of artificial signal of equidistant AA with subsequent application of Burg parametric algorithm to obtain an estimate of the angular spatial frequency spectrum. To prove the applicability of the parametric method of SEAA signals processing in the case of location signals detecting, DC were obtained and compared with optimal ones.

Conclusions

Conclusions. The obtained results have proved the suboptimality of the parametric method of SEAA signal processing at the random AEs spacing step lying in the range from λ/2 to 3λ, what makes it possible to recommend it for using in transportable DRRs.

загоризонтная радиолокациядекаметровый диапазоннеэквидистантная антенная решеткапараметрические методыпространственная обработка сигналовдиаграмма направленностиспектр пространственных частотхарактеристики обнаруженияover-the-horizon radiolocationdecameter rangesparse antenna arrayparametric methodsspatial signal processingantenna patternspatial frequency spectrumdetection characteristicsReferencesСправочник по радиолокации. В 2-х книгах. Книга 2. / Под ред. М. И. Сколника. Пер. с англ. под ред. В. С. Вербы. М: Изд. "Техносфера", 2015. 680 с. doi: 10.1109/maes.2008.4523916M. I. Skolnik Radar Handbook, Third Edition. Ed. 2. tr. from eng. V. S. Verbi. М: Izd. "Tehnosfera", 2015. 680 p. doi: 10.1109/maes.2008.4523916 (In Russ.)Радиоэлектронные системы: основы построения и теория / Я. Д. Ширман, Ю. И. Лосев, Н. Н. Минервин, С. В. Москвитин, С. А. Горшков, Д. И. Леховицкий, Л. С. Левченко // Справочник под ред. Я. Д. Ширмана. М.: ЗАО "МАКВИС", 1998. 828 с.Shirman Ja. D., Losev Ju. I., Minervin N. N., Moskvin S. V., Gorshkov S. A., Lihovitskij D. I., Levthenko L. S. Radiojelektronnye sistemy: osnovy postroenija i teorija. Spravochnik [Radioelectronic systems: foundations of construction and theory. Directory]. M.: ZAO "MAKVIS", 1998. 828 p. (In Russ.)Алебастров В. А., Гойхман Э. Ш., Заморин И. М. Основы загоризонтной радиолокации / Под ред. А. А. Колосова. М.: Изд-во "Радио и связь", 1984. 257 c.Alebastrov V. A., Gojhman Je. Sh., Zamorin I. M. Osnovy zagorizontnoj radiolokacii [The basics of over-thehorizon radar]. M.: Radio i svjaz', 1984, 257 p. (In Russ.)Винокуров В. И., Генкин В. А., Калениченко С. П. Морская радиолокация / под ред. В.И. Винокурова. Л.: Изд. "Судостроение", 1986. 256 с.Vinokurov V. I., Genkin V. A., Kalenichenko S. P., Kalinithenko S. P. Morskaja radiolokacija [Maritime radar]. L.: Sudostroenie, 1986, 256 p. (In Russ.)Paduan J. D., Washburn L., High-Frequency Radar Observations of Ocean Surface Currents / Annual Review of Marine Science, 2012. Vol. 5, iss. 1. P. 115-136. doi: 10.1146/annurev-marine-121211-172315Paduan J. D., Washburn L., High-Frequency Radar Observations of Ocean Surface Currents. Annual Review of Marine Science, 2012, vol. 5, iss. 1, pp. 115-136. doi: 10.1146/annurev-marine-121211-172315Dzvonkovskaya, A., Gurgel, K.-W. Future Contribution of HF Radar WERA to Tsunami Early Warning Systems. / Europ. J. of Navigation. Aug., 2009. Vol. 7, № 2.Dzvonkovskaya, A., Gurgel, K.-W. Future Contribution of HF Radar WERA to Tsunami Early Warning Systems. Europ. J. of Navigation. Aug., 2009, vol. 7, no. 2.Dzvonkovskaya, A., Gurgel, K.-W., Rohling H. and Schlick, T. Low power high frequency surface wave radar application for ship detection and tracking. / In Proceedings of the IEEE Intern. Radar Conf., Adelaide, Australia, Sept. 2008. doi: 10.1109/radar.2008.4653998Dzvonkovskaya, A., Gurgel, K.-W., Rohling H. and Schlick, T. Low power high frequency surface wave radar application for ship detection and tracking. / In Proceedings of the IEEE Intern. Radar Conf., Adelaide, Australia, Sept. 2008. doi: 10.1109/radar.2008.4653998Основы проектирования многопозиционных декаметровых РЛС пространственной волны / В. М. Кутузов, А. В. Бархатов, А. В. Безуглов, В. И. Веремьев, А. А. Коновалов // Под общ. ред. В. М. Кутузова. СПб, Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2012. 191 с.Kutuzov V. M., Barhatov A. V., Bezuglov A. V., Verem'ev V. I., Konovalov A. A. Osnovy proektirovanija mnogopozici-onnyh dekametrovyh RLS prostranstvennoj volny [Design fundamentals for multi-position decameter skywave radars]. SPb.: SPbGETU "LETI", 2012, 191 p. (In Russ.)Кутузов В. М., Сотников А. А. Модельно-параметрические технологии обработки данных с разрывами / Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2005. №2. С. 3–10.Kutuzov V. M., Sotnikov A. A. Model-parametric technologies of discontinuous data processing. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii Rossii. Radioelektronika [J. of the Russian Universities. Radioelectronics], 2005, no. 2, pp. 3-10 (In Russ.)Марпл-младший С. Л. Цифровой спектральный анализ и его приложения / Пер. с англ. М.: "Мир", 1990. 265 с.Marple Jr. S. L. Digital spectral analysis: with applications. M.: "Mir" , 1990, 265 p. (In Russ.)Кутузов В. М., Мазуров К. А. Многосегментный авторегрессионный алгоритм обработки сложномодулированных сигналов. Характеристики обнаружения скоростных целей / Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2009. №4. С. 43–49.Kutuzov V. M., Mazurov K. A. Multi-segment autoregressive algorithm of complex modulated signals processing: detection characteristics. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii Rossii. Radioelektronika [J. of the Russian Universities. Radioelectronics], 2009, no. 4, pp. 43-49 (In Russ.)Кутузов В. М., Мазуров К. А. Многосегментный авторегрессионный алгоритм обработки сложномодулированных сигналов: характеристики помехоустойчивости / Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2010. №6. С. 37–41.Kutuzov V. M., Mazurov K. A. Multi-segment autoregressive algorithm of complex modulated signals processing: noise-immunity characteristics. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii Rossii. Radioelektronika [J. of the Russian Universities. Radioelectronics], 2010, no. 6, pp. 37-41 (In Russ.)Кутузов В. М., Мазуров К. А. Многосегментный авторегрессионный алгоритм обработки сложномодулированных сигналов: характеристики точности / Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2012. №3. С. 53–59.Kutuzov V. M., Mazurov K. A. Multi-segment autoregressive algorithm of complex modulated signals processing: accuracy characteristics. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii Rossii. Radioelektronika [J. of the Russian Universities. Radioelectronics], 2012, no. 3, pp. 53-59 (In Russ.)Мюнье Ж., Делиль Ж. Ю. Пространственный анализ в пассивных локационных системах с помощью адаптивных методов / ТИИЭР, 1987. Т. 75, №11. С. 21-37.Munier J., Delisle G. Y. Spatial Analysis in Passive Listening Using Adaptive Techniques. TIIER, 1987, vol. 75, no. 11, pp. 21-37 (In Russ.)Kay S. M. Modern Spectral Estimation. PrenticeHall, Inc., Englewood Cliffs, N. J., 1987.Kay S. M. Modern Spectral Estimation. PrenticeHall, Inc., Englewood Cliffs, N. J., 1987.Kutuzov V. M., Sotnikov A. A. Model-Parametrical Spatial Signals Processing Use in Radar with Mechanical Scanning Antenna / Proceed. International radar Symposium IRS-2005. 6-8 Sep. 2005, Berlin, Germany // German Institute of Navigation. P. 589-592.Kutuzov V. M., Sotnikov A. A. Model-Parametrical Spatial Signals Processing Use in Radar with Mechanical Scanning Antenna / Proceed. International radar Symposium IRS-2005. 6-8 Sep. 2005, Berlin, Germany // German Institute of Navigation. P. 589-592.Коновалов А. А. Основы траекторной обработки радиолокационной информации. Ч. 1. СПб. Изд-во: СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2013. 164 с.Konovalov A. A. Osnovy traektornoj obrabotki radiolokacionnoj informacii. Chast' 1. [Fundamentals of trajectory processing of radar information. Part 1]. SPb.: SPbGETU "LETI", 2013, 164 p. (In Russ.)Аникин А. П., Сотников А. А. Многосегментная модельно-параметрическая обработка неэквидистантных данных // Труды всерос. науч.-техн. конф. Томск, 18-20 мая 2004г. Томск, ТУСУР, 2004. С.17-20.Anikin A.P., Sotnikov A. A. Mnogosegmentnaja model'no-parametricheskaja obrabotka nejek-vidistantnyh dannyh [Multi-segment model-parametric processing of nonequidistant data]. Materials of the All-Russian Scientific and Technical Conference. Tomsk, 18-20 May, 2004. Tomsk, TUSUR, 2004, pp. 17-20. (In Russ.)Хайкин С., Карри Б. У., Кеслер С. Б. Спектральный анализ радиолокационных мешающих отражений методом максимальной энтропии / ТИИЭР. 1982, Т. 70, №9. С. 51-62.Hajkin S., Karri B. U., Kesler S. B. Maximum Entropy Spectral Analysis of Radar Clutter. TIIER, 1982, vol. 70, no. 9, pp. 51-62 (In Russ.)Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. Определения, теоремы, формулы / пер. с анг. под общ. ред. Арамановича И. Г. М: Изд. "Наука", 1974. 831 с.Korn G. A., Korn T. M. Mathematical handbook for scientists and engineers. Definitions, theorems, and formulas for reference and review. M.: "Nauka", 1974, 831 с. (in Russ.)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.