Kotelnikov Institute of Radio Engineering and Electronics of RAS Русский Sign in Submit a paper
Journal of Radio Electronics Online scientific journal · eISSN 1684-1719
2026, № 6 · RADIO ELECTRONICS RELATED PROBLEMS

Adaptive selection of the sounding direction in acoustic systems based on super-resolution direction finding of interference sources. Part 1

N.P. Krasnenko1, I.A. Rybakov1

1 Institute of Monitoring of Climatic and Ecological Systems Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, Tomsk, Russia
Full text DOI: 10.30898/1684-1719.2026.6.14 UDC 534.6.08 EDN OKXMYP

Abstract

This paper addresses the problem of improving the interference immunity of acoustic radars (sodars) equipped with an adaptive antenna array (AAA) through the selection of optimal atmospheric sounding directions under complex acoustic interference conditions. It is shown that, unlike conventional radar systems, the sounding direction in sodars is not strictly fixed due to signal scattering by distributed atmospheric inhomogeneities, which enables additional minimization of the received interference power.An adaptive algorithm for selecting the optimal transmission angle is proposed based on the analysis of the spatial signal structure and localization of active interference sources. To improve the accuracy of estimating the angular coordinates of interference sources, super-resolution techniques were employed, namely the Capon minimum variance method and the Multiple Signal Classification (MUSIC) algorithm. Algorithms for estimating the directions of arrival of broadband acoustic interference are described using spectral decomposition into frequency subbands followed by averaging of the spatial spectra.The results of numerical simulations are presented for a six-element linear antenna array with parameters corresponding to a real acoustic radar system. Simulations were carried out for two broadband interference signals (aircraft engine noise and the acoustic noise of a bird flock) at various interference-to-noise ratios ranging from 10 to 50 dB and angular separations from 3° to 20°. Based on the estimated angular coordinates of the interference sources, adaptive reconfiguration of the antenna array radiation pattern is performed, with the main lobe steered toward the region characterized by the minimum interference level. The obtained results may be used to improve the robustness of acoustic detection and atmospheric monitoring systems operating in complex interference environments.

  • sodar
  • adaptive antenna array
  • angular coordinates
  • interference
  • direction finding
Аннотация (на русском)

Адаптивный выбор направления зондирования в акустических системах на основе сверхразрешающей пеленгации источников помех. Часть 1

В работе рассматривается задача повышения помехозащищённости акустических локаторов (содаров), оснащённых адаптивной антенной решеткой (ААР), за счёт выбора оптимальных направлений зондирования атмосферы в условиях сложной шумовой обстановки. Показано, что в отличие от классических радиолокационных систем, направление зондирования в содаре не является жёстко фиксированным из-за рассеяния сигнала на распределённых атмосферных неоднородностях, что позволяет дополнительно минимизировать мощность принимаемых помех. Предложен адаптивный алгоритм выбора оптимального угла излучения, основанный на анализе пространственной структуры сигнала и локализации источников активных помех. Для повышения точности оценки угловых координат источников использованы методы сверхразрешения - метод Кейпона (минимизации дисперсии) и метод многоканальной классификации MUSIC. Описаны алгоритмы оценки направлений прихода широкополосных акустических помех с разбиением спектра на частотные поддиапазоны и последующим усреднением пространственных спектров. Приведены результаты численного моделирования для шестиэлементной линейной антенной решетки с параметрами, соответствующими реальному акустическому локатору. Моделирование проводилось для двух широкополосных помеховых сигналов (шум авиационного двигателя и акустический шум стаи птиц) при различных отношениях помеха/шум (от 10 до 50 дБ) и угловом разнесении от 3° до 20°. На основе оценённых угловых координат помех осуществляется адаптивная перестройка диаграммы направленности антенной решётки: главный лепесток перемещается в область с минимальным уровнем помех. Полученные результаты могут быть использованы для повышения устойчивости акустических систем обнаружения и мониторинга атмосферы в условиях сложной помеховой обстановки.

For citation

Krasnenko N.P., Rybakov I.A. Adaptive selection of the sounding direction in acoustic systems based on super-resolution direction finding of interference sources. Part 1 // Journal of Radio Electronics. – 2026. – No. 6. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2026.6.14

References

  1. Красненко Н.П. Акустическое зондирование атмосферного пограничного слоя. - Томск: Водолей, 2001. - 278 с.
  2. Bradley S. Atmospheric acoustic remote sensing: principles and applications. - CRC press, 2007.
  3. Макаренко С. И. Противодействие беспилотным летательным аппаратам. Монография //СПт: Наукоемкие технологии. - 2020.
  4. КРАСНЕНКО Н. П., РЫБАКОВ И. А., РАКОВ А. С. АКУСТИЧЕСКОЕ ОБНАРУЖЕНИЕ НИЗКОЛЕТЯЩИХ ДРОНОВ // АКУСТИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ. - 2024. - Т. 70. - №. S5. - С. 21. - https://doi.org/10.34756/GEOS.2024.17.38817
  5. Crescenti G. H. Degradation of Doppler Sodar Performance Due to Noise //NASA. - 1997. - №. 19980005391.
  6. Van T. et al. Detection estimation and modulation theory //Detection, Estimation, and Filtering Theory. - Wiley & Sons, Inc., 2013.
  7. Ратынский М. В. Адаптация и сверхразрешение в антенных решетках. - Радио и связь, 2003.
  8. Tuncer T. E., Friedlander B. (ed.). Classical and modern direction-of-arrival estimation. - Academic Press, 2009.
  9. Гейбриел У. Ф. Спектральный анализ и методы сверхразрешения с использованием адаптивных решеток //ТИИЭР. - 1980. - Т. 68. - №. 6. - С. 19.
  10. Верба В.С., Меркулов В.И., Чернов В.С. Методы и алгоритмы углового оценивания со сверхразрешением для авиационных бортовых радиолокационных систем // Успехи современной радиоэлектроники. - 2021. - Т. 75, N 11. - С. 27-42. - https://doi.org/10.18127/j20700784-202111-04
  11. Ильчук А. Р. и др. Угловое сверхразрешение в бортовых радиолокационных системах воздушного базирования //Журнал радиоэлектроники. - 2021. - Т. 12. - https://doi.org/10.30898/1684-1719.2021.12.3
  12. Abdulkareem A., Alnajjar S. H. Improvement of DOA estimation utilizing super resolution and iterative super resolution MUSIC algorithms //AIP Conference Proceedings. - AIP Publishing LLC, 2025. - Т. 3211. - №. 1. - С. 070010. - https://doi.org/10.1063/5.0257870
  13. Малышкин Г. С., Сидельников Г. Б. Оптимальные и адаптивные методы обработки гидроакустических сигналов (обзор) //Акустический журнал. - 2014. - Т. 60. - №. 5. - С. 526-526. - https://doi.org/10.7868/S0320791914050098
  14. Малышкин Г. С., Тимофеев В. Н., Туркалова О. И. Разрешение и оценка параметров слабых сигналов при наличии мешающих источников в зоне Френеля с помощью современных адаптивных алгоритмов //Акустический журнал. - 2013. - Т. 59. - №. 4. - С. 520-520. - https://doi.org/10.7868/S0320791913040114
  15. Сазонтов А.Г., Смирнов И.П. Локализация источника в случайно-неоднородном канале с использованием многорангового алгоритма Кейпона // Акустический журнал. - 2021. - Т. 67, N 6. - С. 659-667. - https://doi.org/10.31857/S0320791921060101
  16. Чистяков В. А. Система мониторинга угловых координат источников радиоизлучения для космических аппаратов спутниковой связи //Труды МАИ. - 2019. - №. 109. - С. 15. - https://doi.org/10.34759/trd-2019-109-15
  17. Шмонин О.А., Купцов В.В., Трушков С.Н. [и др.] Применение сверхразрешающего метода MUSIC в фазированных антенных решетках для пеленгации источников случайных сигналов // Радиотехника. - 2024. - Т. 88, N 12. - С. 89-102. - https://doi.org/10.18127/j00338486-202412-08
  18. Артюхин И. В. и др. Алгоритм оценки углов прихода сигналов в системе распределенных некогерентных автомобильных радаров //Журнал радиоэлектроники. - 2023. - Т. 4. - С. 1-20. - https://doi.org/10.30898/1684-1719.2023.4.2
  19. Xu S., Wang J., Yarovoy A. Super resolution DOA for FMCW automotive radar imaging //2018 IEEE Conference on Antenna Measurements & Applications (CAMA). - IEEE, 2018. - С. 1-4. - https://doi.org/10.1109/CAMA.2018.8530609
  20. Capon J. High-resolution frequency-wavenumber spectrum analysis //Proceedings of the IEEE. - 1969. - Т. 57. - №. 8. - С. 1408-1418 - https://doi.org/10.1109/PROC.1969.7278
  21. Harris D. B., Kvaerna T. Superresolution with seismic arrays using empirical matched field processing //Geophysical Journal International. - 2010. - Т. 182. - №. 3. - С. 1455-1477. - https://doi.org/10.1111/j.1365-246X.2010.04684.x
  22. Шевченко М. Е. и др. Интервальное и точечное пеленгование источников радиоизлучения при широкополосном радиомониторинге //Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника. - 2020. - Т. 23. - №. 6. - С. 28-42. - https://doi.org/10.32603/1993-8985-2020-23-6-28-42
  23. Давыденко А. С., Попов Е. Н., Цикин И. А. Пеленгация высокодинамичных объектов на основе метода MUSIC при использовании антенных решеток с малым числом элементов //Радиотехника. - 2020. - Т. 84. - №. 12. - С. 5-16. - https://doi.org/10.18127/j00338486-202012(24)-01
  24. Литвинов О. С. и др. Сравнение эффективности применения корреляционных методов пеленгации и разрешения источников сигналов //Антенны. - 2020. - №. 5. - С. 32-41. - https://doi.org/10.18127/j03209601-202005-04
  25. Мюнье Ж., Делиль Ж. Ю. Пространственный анализ в пассивных локационных системах с помощью адаптивных методов //ТИИЭР. - 1987. - Т. 75. - №. 11. - С. 21.
  26. Azimi-Sadjadi M. R., Pezeshki A., Roseveare N. Wideband DOA estimation algorithms for multiple moving sources using unattended acoustic sensors //IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems. - 2009. - Т. 44. - №. 4. - С. 1585-1599. - https://doi.org/10.1109/TAES.2008.4667733
  27. Манохин Г. О., Гельцер А. А., Рогожников Е. В. Увеличение разрешающей способности радиолокационной системы за счёт параметрических методов обработки сигналов //Вестник СибГУТИ. - 2015. - №. 1 (29). - С. 15-23.
  28. Красненко Н.П., Рыбаков И.А., Раков А.С. Реализация электронного управления лучом в акустической антенной решетке // Электронные средства и системы управления: материалы докладов Международной научно-практической конференции. - 2023. - N 1-1. - С. 27-29.