ОБНАРУЖИТЕЛЬ СИГНАЛОВ Российский патент 1998 года по МПК G01S7/28 

Изобретение относится к радиолокации и может использоваться в многочастотных импульсных радиолокационных станциях систем селекции движущихся целей для обнаружения флуктуирующих сигналов на фоне аддитивной смеси белого шума и коррелированных пассивных помех с известными и неизвестными коэффициентами корреляции и дисперсией.

Известна схема регулировки уровня ложных тревог с частотным усреднением, содержащая набор цифровых фильтров, выход которого подключен к последовательно соединенным сдвиговым регистрам, выходы которых справа и слева от центрального регистра сдвига подключены к входам соответствующих сумматоров. Выходы обоих сумматоров подключены к входам весового сумматора, выход которого соединен с одним из входов порогового детектора, другой вход которого подключен к выходу центрального регисра сдвига, а также источник тактовых сигналов (патент США N 3701149, кл. G 01 S 7/34, Изобретения за рубежом, 1972, N 21, с. 74).

Однако помехоустойчивость этого устройства ухудшается при нарушении равномерности спектрального распределения помехи в опорных элементах разрешения по частоте.

Известно предназначенное для эхо-импульсной системы устройство обработки сигналов, обеспечивающее уменьшение уровня помех и нормализацию сигналов при связи "вперед", содержащее N каналов обработки сигналов, число которых равно числу различных частот принимаемого многочастотного сигнала. В состав каждого канала входит полосовой фильтр, блок компенсации уровня помех, содержащий многоотводную линию задержки, блок инверсной оценки и квадратор, а также блок оценки и весовой обработки. Выходы всех каналов соответственно для каждой частотной компоненты подключены к входам блока суммирования, выходы которого соединены с входами блока нормирования, на выходе которого происходит минимизация изменений среднего уровня выходного сигнала и производится обнаружение (патент США N 4047172, кл. G 01 S 7/28, 9/44, 9/66, Изобретение в СССР и за рубежом, 1978, N 9, с.93).

Однако помехоустойчивость этого устройства невелика.

Наиболее близким по технической сущности является обнаружитель сигналов, содержащий N приемников, N вычислителей, j-й выход i-го, вычислителя соединен соответственно с i-ым входом j-го сумматора, первый и второй перемножители, первый и второй квадраторы, блок вычитания, блок сложения, а также пороговый блок, причем каждый вычислитель содержит линию задержки, перемножитель (дополнительный перемножитель) и два квадратора (дополнительных квадратора) (авт. св. СССР N 987543, кл. G 01 S 7/28, БИ N 1, 1983).

Недостатком такого устройства является низкая помехоустойчивость.

Цель изобретения - повышение помехоустойчивости.

Поставленная цель достигается тем, что в обнаружитель сигналов, содержащий сигнальный канал, включающий N приемников, выходы которых подключены соответственно к входам N вычислителей, три сумматора, перемножитель, квадратор, дополнительно введено 2L-2 сумматоров, L-1 перемножителей, L-1 квадраторов, L-1 вычитателей (где L - четное число), при этом i-ый, i=1, 2L+1 выход каждого из N вычислителей соединен с соответствующим входом одноименного сумматора, выходы нечетных из 2L+1 сумматоров, кроме среднего, соединены с первыми входами соответствующих из L перемножителей, а входы четных из 2L+1 сумматоров, кроме среднего, соединены с входами соответствующих из L квадраторов, а выход среднего из 2L+1 сумматоров соединен с вторыми входами всех перемножителей, выходы перемножителей и квадраторов соединены соответственно с первым и вторым входами соответствующих вычитателей, выходы которых являются L выходами сигнального канала, N входами которого являются входы N приемников, кроме того введены M опорных каналов, идентичных сигнальному каналу, и ML блоков сравнения, соответствующий из L выходов опорного канала соединен с первым входом соответствующего блока сравнения, а соответствующий из L выходов сигнального канала соединен со вторыми входами соответствующих M блоков из ML блоков сравнения, сумматор, пороговое устройство и блок опорного напряжения, выход которого подключен к второму входу порогового устройства, первый вход которого соединен с выходом сумматора, входы которого соединены с выходами блоков сравнения, при этом каждый из блоков сравнения содержит перемножитель и блок сложения, первые входы которых объединены и являются первым входом блока сравнения, вторым входом которого являются объединенные вторые входы перемножителя и блока сложения, последовательно соединенные квадратор и пороговый блок, второй вход которого соединен с выходом перемножителя, а выход блока сложения соединен с входом квадратора, выход порогового блока является выходом блока сравнения, причем каждый из вычислителей содержит линию задержки, L перемножителей и L+1 квадраторов, выходы которых являются 2L+1 выходами вычислителя, каждый отвод линии задержки соединен с входом соответствующего квадратора, кроме первого, и первым входом соответствующего перемножителя, кроме первого, а средний отвод лини задержки соединен с вторыми входами перемножителей, вход лини задержки является входом вычислителя и соединен с первым входом первого из L перемножителей и входом первого из L+1 квадраторов.

Наличие отличительных признаков обуславливает соответствие заявляемого технического решения критерию "новизна" Заявляемое техническое решение соответствует критерию "существенные отличия", поскольку не обнаружено решений с признаками, сходными с признаками, отличающими заявляемое техническое решение от прототипа.

Возможность достижения цели предлагаемого изобретения обусловлена следующим.

За счет дополнительно введенных в каждый из вычислителей L-1 дополнительных перемножителя и L-1 дополнителных квадраторов, а также за счет введенных 2L-2 сумматоров, L-2 перемножителей, L-2 квадраторов, L-1 вычитателей, где L-2n, n-1,2:3... удается получить информацию о L элементах разрешения по направлению в сигнальном канале, а за счет введенных M опорных каналов - аналогичную информацию о спектральных различиях полезного сигнала и помех. Введением LM блоков сравнения, а также сумматора, порогового устройства и блока опорного напряжения позволяет реализовать непараметрическую знаковую процедуру обнаружения, устойчивую к изменению закона распределения входных воздействий.

На фиг. 1 приведена структурная электрическая схема описываемого устройства; на фиг. 2 - структурная электрическая схема вычислителя.

Обнаружитель сигналов содержит сигнальный канал 1 и M опорных каналов 2, каждый как сигнальный 1, так опорный 2 канал содержит последовательно соединенные N приемников 3 и N вычислителей 4, j-й, выход i-го, вычислителя соединен соответственно с i-м входом j-го сумматора 5, выход нечетных 2k+1, где , L сумматоров 5 подключены соответственно к первым входам L перемножителей 6, вторые входы которых объединены и соединены с выходом L+1-го сумматора 5, выходы четных 2k, сумматоров 5 подключены к входам соответствующих L квадраторов 7, выходы которых подключены соответственно к вторым входам L вычитателей 8, к первым входам которых подключены выходы соответствующих L перемножителей 6, причем N входами каждого как сигнального 1, так и опорного 2 канала являются входы N приемников 3, а L выходами - выходы L вычитателей 8, l-й, выход m-го, опорного канала 2 соединен соответственно с первым входом lm-го блока 9 сравнения, а l-й выход сигнального канала 1 подключен к объединенным вторым входам lm-ых блоков сравнения 9, причем каждый блок 9 сравнения содержит перемножитель 10, блок 11 сложения, первые входы которых объединены и представляют собой первый вход блока 9 сравнения, а их объединенные вторые входы - второй вход блока 9 сравнения, выход перемножителя 10 подключен к первому входу порогового блока 12, второй вход которого через квадратор 12 соединен с выходом блока 11 сложения, а выход является выходом блока 9 сравнения, выходы всех LM блоков сравнения 9 подключены к входам сумматора 14, выход которого подключен к первому входу порогового устройства 15, второй вход которого соединен с выходом блока 16 опорного напряжения, а выход является выходом устройства, причем каждый вычислитель 4 содержит линию 17 задержки, вход которой объединен с входом квадратора 18 и первым входом перемножителя 19 и представляет собой вход вычислителя 4, l-й, отвод линий 17 задержки соединен с входом соответствующего j-го квадратора 18, а также каждый l-й, и отвод линии 17 задержки соединен с первым входом i-го, перемножителя 19, второй вход каждого из которых подключен к L/2+1-му отводу линии 17 задержки, а выходы L+1 квадраторов 18 являются нечетными выходами вычислителя 4, выходы L перемножителей 19 - четными его выходами, образуя 2L+1 выходов вычислителя 4.

Устройство работает следующим образом.

На выход обнаружителя сигналов поступает аддитивная смесь сложного многочастотного сигнала, белого шума неизвестной мощности и коррелированных пассивных помех с неизвестными коэффициентами корреляции и дисперсией, существующие в заданном частотном диапазоне. Попадая на входы сигнального 1 и M опорных 2 каналов, входной процесс подвергается частотной селекции, при этом многочастотный сигнал разделяется по частоте на N составляющих частотных компонент в N приемниках 3 сигнального канала 1 и аналогичное разделение на N частотных компонент происходит в каждом из M опорных каналов 2, служащих для получения NM шумовых выборок. Полосы пропускания приемников 3 одинаковы и равны ширине спектра частотных составляющих сигнала, а частотный разнос между полосами пропускания выбирается из условия получения статистически независимых отсчетов по частоте. В каждом приемнике 3 производится также необходимое усилие, преобразования частоты, детектирование и центрирование входного воздействия (авт. св. СССР N 987543, кл. G 01 S 7/28, БИ N 1, 1983). Далее соответствующая частотная компонента поступает на вход соответствующего вычислителя 4, в котором происходит задержка на L периодов повторения и производится вычисление квадратов огибающих в исследуемом элементе разрешения по направлению на выходе L/2+1-го дополнительного квадратора 18 и в L/2 опережающих и L/2 запаздывающих элементах по направлению на выходах соответствующих j= x, j=1, дополнительных квадраторов 18, а также произведения огибающих в исследуемом элементе по направлению на каждый из опережающих и запаздывающих элементах по направлению на выходах соответствующих L дополнительных перемножителей 19.

Таким образом в момент времени, соответствующий наблюдению исследуемой точки пространства, на L+1-ом выходе вычислителя 4 будут присутствовать соответствующие исследуемому элементу разрешения по направлению квадраты отклонений частотных компонент от среднего, на нечетных выходах вычислителя 4 - квадраты отклонений в опережающих и запаздывающих элементах по направлению, а на четных его выходах - произведения отклонений значений частотных компонент в исследуемом направлении и в каждом из соседних. В j-ом, сумматоре 5 производится сложение полученных знаний по каждой i-ой, частотной компоненте. В итоге сигналы на выходах 2L+1 сумматоров 5 пропорциональны: на L+1 - оценке дисперсии входного процесса в исследуемом направлении, на остальных нечетных - оценке дисперсии входного процесса в каждом из L соседних направлений, на четных - оценке ковариации входного процесса между исследуемым направлением и каждом из L опорных. Коэффициент пропорциональности для всех частотных компонент на выходах 2L+1 сумматоров 5 одинаков и равен числу N частотных составляющих сигнала. На выходе l-го, l = 1, L перемножителя 6 формируется отсчет, пропорциональный произведению сигналов соответствующего нечетного сумматора 5 и L+1-го сумматора 5, и после возведения в квадрат отсчета, взятого с выхода соответствующего четного сумматора, соответствующим l-м квадраторам 7, на выходе l-го вычитателю 8, т.е. на l-ом выходе как сигнального канала 1, так и каждого из опорных каналов 2 формируется сигнал, равный разности между сигналами на первом и втором входах, вычитателя, 8 пропорциональной оценке определителя ковариационной матрицы процесса, и для рассматриваемого случая, определяемого выражением (авт. св. СССР N 987543, кл. G 01 S 7/28, БИ N 1, 1983):
,
где - оценка дисперсии входного процесса в l-м, периоде повторения в сигнальном элементе разрешения по частоте;
- оценка дисперсии входного процесса в исследуемом направлении в сигнальном элементе разрешения по частоте;
- оценка межпериодного коэффициента корреляции в l-м элементе по направлению относительно исследуемого направления в сигнальном элементе разрешения по частоте.

На l-м выходе m-го опорного канала 2 формируются аналогичные сигналы
,
где - оценка дисперсии входного процесса в l-м периоде повторения в m-м элементе разрешения по частоте (в m-м опорном канале 2);
- оценка дисперсии входного процесса в исследуемом направлении в m-м элементе разрешения по частоте;
- оценка межпериодного коэффициента корреляции в l-м элементе по направлению относительно исследуемого направления в m-м элементе разрешения по частоте.

Сигнал (2) с l-го выхода m-го опорного канала 2 поступает на первый вход lm-го блока 9 сравнения, т. е. на первые входы перемножителя 10 блока 11 сложения, а сигнал (1) с l-го выхода сигнального канала 1 поступает на вторые входы lm-х блоков 9 сравнения, т.е. на вторые входы перемножителя 10 и блока 11 сложения, и после возведения в квадрат напряжения с выхода блока 11 сложения квадратором 13 на выходах перемножителя 10 и квадратора 13 lm-го блока 9 сравнения формируются соответственно следующие напряжения
.

Отношение сигналов с выходов квадратора 13 (4) и перемножителя 10 (3)

в случае, когда параметры помех во всех элементах разрешения одинаковы, имеет распределение, не зависящее от значений этих параметров, при этом не происходит срабатывания порогового блока 12, на выходе которого сохраняется нулевой потенциал. Наличие сигнала от цели в исследуемых элементах разрешения по направлению и по частоте, т.е. на выходе L+1-го сумматора 5 сигнального канала 1, изменяет значения параметров . При этом распределение вероятностей рассматриваемого отношения (5) изменяется, т. е. становится зависимым от значений , где - соответственно оценки дисперсии и межпериодного коэффициента корреляции в исследуемом направлении в сигнальном элементе разрешения по частоте при наличии сигнала от цели. Причем в этом случае моменты распределения возрастают (авт. св. СССР N 987543, кл. G 01 S 7/28, БИ 1983, N1) и происходит срабатывание порогового блока 12 соответствующего lm-го блока 9 сравнения, на выходе которого появится единичный потенциал.

Для принятия решения о наличии сигнала (альтернатива H₁) или его отсутствии (гипотеза H_o) статистика на выходе сумматора 1 приводит к алгоритму обнаружения

и сравнивается в пороговом устройстве 15 с порогом Z. Напряжение, пропорциональное величине порога Z, определяемого по данной вероятности ложных тревог, поступает на второй вход порогового устройства 15 с выхода блока 16 опорного напряжения. Распределение числа единичных значений U_i и n= LM при независимых испытаниях и обеих гипотезах (H_o, H₁) биомиальное (Акимов П. С. и др. Обнаружение радиосигналов. Под ред. А.А.Колосова, - М.: Радио и связь, 1989, с. 161).

Задача обнаружения решается как проверка гипотезы H_o о том, что случайная величина U_i, примет с вероятностью p=0,5 значение 0 или 1, если U_i - помеховая выборка, против альтернативы H₁, о том, что случайная величина U_i примет с вероятностью p>0,5 значение 1, если U_i - сигнальная выборка (см. там же, с. 171). Поэтому для гипотезы H_o вероятность ложной тревоги имеет вид

а для альтернативы H₁ вероятность правильного обнаружения аналогична (7)

и определяет рабочую характеристику алгоритма (6) - зависимость вероятности правильного обнаружения D от параметра p, характеризующего различия между гипотезой H_o и альтернативой H₁.

Как видно, вероятность ложной тревоги не зависит от вида распределения помеховых выборок, а лишь известно, что медиана распределения для гипотезы H_o меньше медианы распределения для альтернативы H₁, что соответствует рассматриваемой задаче обнаружения сигнала на фоне аддитивной помехи с симметричной плотностью вероятности. При справедливости альтернативы H₁ происходит срабатывание порогового устройства 15, на выходе которого появляется сигнал, регистрирующий обнаружения.

Предлагается, что сумматоры 5, 14, блоки сложения 11 и вычитатели 8 могут быть выполнены на основе операционных усилителей серий 140 или 153 (Алексеенко А. Г. и др., Применение презиционных аналоговых микросхем, М.: Радио и связь, 1985, с. 91-92), перемножители 6, 10, дополнительные перемножители 19, а также квадраторы 7, 13 и дополнительные квадраторы могут быть реализованы на основе интегрального перемножителя К525ПС2, при соответствующем соединении входов и выходов схемы, выполняющего операции перемножения и возведения в квадрат (Гутников В.С., интегральная электроника в измерительных устройствах, Л.: Энергоатомиздат, 1988, с. 131-132). Пороговые блоки 12 и пороговые устройства 15 могут быть выполнены по схеме на основе однопоргового компаратора 521СА1 (Алексеенко А. Г. и др., Применение прецизионных аналоговых микросхем. М. : Радио и связь, 1985, с. 151-153), блок опорных напряжений может быть выполнен, например, на основе прецизионного однополярного источника опорного напряжения (Алексеенко А.Г. и др., Применение прецизионных аналоговых микросхем, М.: Радио и связь, 1985, с. 183-184).

По сравнению с прототипом, реализующим параметрический алгоритм обнаружения, сохраняющий эффективность лишь при конкретном виде распределения помех, в предлагаемом устройстве применена непараметрическая знаковая процедура обнаружения, позволяющая стабилизировать вероятность ложных тревог при обнаружении сигнала на фоне помех с произвольным неизвестным законом распределения. В прототипе используется информация об одном дополнительном пространственном и временном элементах разрешения, в то время как известны более эффективные параметрические алгоритмы обнаружения, например, использующие информацию от нескольких опорных временных элементов разрешения (Белецкий Ю. С. , Белоусов А.А., Контрастное обнаружение флуктуирующих сигналов в шумах с произвольным энергетическим спектром, - Доклад IX Всесоюзной акустической конференции. Секция с., М.: 1977, с. 37-40). Знаковые процедуры, как известно, (Оводенко А.А., Робастные локационные устройства, - Л.: 1981, с. 29-30), эффективные при большом объеме выборки, по помехоустойчивости не уступают параметрическим алгоритмам, но уже в широком классе распределения помех. В предлагаемом устройстве с учетом того, что сигнал от движущейся цели зависит как от эффекта Доплера, так и от пространственного положения цели, структура формирования решающей статистики позволяет учесть одновременно информацию от элементов разрешения как по азимуту, так и по скорости, что, в свою очередь, позволяет при незначительном числе опорных каналов 2 и соседних элементов по направлению получить достаточный для эффективной работы знаковый процедуры объем выборки. Так, например, при числе опорных каналов 2, учитывающих информацию о спектральных различиях сигнала и помех, M=4 и числа соседних элементов по направлению, учитывающих информацию о пространственных различиях сигнала и помех, L=8, объем выборки знаковой процедуры составит n=LM=32, в то время как для получения такого же объема выборки отдельно как в частотной, так и в пространственной областях для обнаружения сигнала типовыми структурами (Оводенко В. А., Робастные локационные устройства, - Л. : 1981, с. 29-30) потребовалось бы соответственно 32 опорных канала 2 и столько же соседних элементов по направлению
В таблице приведена зависимость оценки вероятности правильного обнаружения от объема выборки n для двух заданных значений вероятности ложных тревог F при фиксированных значениях вероятностей положительных исходов P, соответствующих вероятности правильного обнаружения D=0,9 при объеме выборки n=32.

В таблице также приведены значения пороговых величин Z и оценок вероятности ложных тревог . Как видно, при малых oбъемах выборки эффективность знаковой процедуры довольно низка, поскольку даже не обеспечивается заданной вероятности ложных тревог. Так как фиксированной вероятности положительных исходов соответствует вполне определенное пороговое отношение сигнал/шум, то очевидно, что по сравнению с объемом выборки n=32 для D=0,9 при малых объемах выборки помехоустойчивости алгоритма ухудшается более, чем в два раза при F= 10^-6 и более чем в 5 раз при F=10^-6 и более чем в 5 раз при F=10^-6. Иначе проигрыш в пороговом отношении сигнал/шум, как можно показать для наиболее простейшего случая (Бриккер А.М., Оценка эффективности непараметрического знакового обнаружителя при произвольном объеме выборки. - Вопросы радиоэлектроники, Сер. ОТ, Вып. 11, 1978. с. 86-91) превосходит 3 раза при рассматриваемых значениях вероятности ложных тревог. Увеличение объема выборки (n намного больше 32), сопровождающееся апроксимацией биномиального закона нормальным распределением (см. там же), приводит к дальнейшему улучшению помехоустойчивости, однако в приведенной структуре наращивание числа опорных каналов и соседних элементов разрешения по направлению, приведет к значительному аппаратному усложнению. Аналогично (Акимов П.С. и др., Помехоустойчивость знакового и рангового обнаружителей в условиях воздействия шума и хаотических импульсных помех, - Изд. вузов, МВ и ССО СССР, Радиоэлектроника, 1986, т. 29, п.4, с.25-30) можно показать, что увеличение отношения помеха/шум и увеличение вероятности появления импульсной помехи в соседних элементах разрешения по частоте и направлению, снижает качество обнаружения. Также аналогично (Акимов П.С. и др., Знаковое обнаружение сигнала на фоне коррелированной помехи. - Радиотехника и электроника, 1979, т. 24. N 4 с. 1928-1932) и как проделано для прототипа (авт. св. СССР N 987543, кл. G 01 S 7/38, БИ N 1 1983) можно убедиться в ухудшении качества обнаружения при изменении коэффициента корреляции R.

Таким образом, по сравнению с прототипом удается повысить эффективности пространственно-временной обработки, обеспечивая инвариантность как к мощности и межпериодному коэффициенту корреляции, так и к изменениям закона распределения мешающих воздействий.

Сущность изобретения: обнаружитель сигналов содержит 1 сигнальный канал (1), М опорных каналов (2), каждый из которых включает N приемников (3), N вычислителей (4), 2L сумматоров (5), L перемножителей (6), L квадраторов (7), L вычитателей (8), ML блоков сравнения (9), включающих 1 перемножитель (10), 1 блок сложения (11), 1 пороговый блок (12) и 1 квадратор (13), 1 сумматор (14), 1 пороговый блок (15), 1 блок опорного напряжения (16). 1-9-14-15, 3-4-5-6-8-11-13-12-14, 5-7-8-10-12, 2-11, 2-10, 16-15. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

1. Обнаружитель сигналов, содержащий сигнальный канал, включающий N приемников, выходы которых подключены соответственно к входам N вычислителей, три сумматора, перемножитель, квадратор и вычитатель, отличающийся тем, что, с целью повышения помехоустойчивости, в сигнальный канал дополнительно введено 2L - 2 сумматоров, L - 1 перемножителей, L - 1 квадраторов, L - 1 вычитателей, где L - четное число, при этом i-й (i = 1, 2L + 1) выход каждого из N вычислителей соединен с соответствующим входом одноименного сумматора, выходы нечетных из 2L + 1 сумматоров, кроме среднего, соединены с первыми входами соответствующих из L перемножителей, а выходы четных из 2L + 1 сумматоров, кроме среднего, соединены с входами соответствующих из L квадраторов, а выход среднего из 2L + 1 сумматоров соединен с вторыми входами всех перемножителей, выходы перемножителей и квадраторов соединены соответственно с первым и вторым входами соответствующих вычитателей, выходы которых являются L выходами сигнального канала, N входами которого являются входы N приемников, М опорных каналов, идентичных сигнальному каналу, и МL блоков сравнения, соответствующий из L выходов опорного канала соединен с первым входом соответствующего блока сравнения, а соответствующий из L выходов сигнального канала соединен с вторыми входами соответствующих М блоков из МL блоков сравнения, сумматор, пороговый блок и блок опорного напряжения, выход которого подключен к второму входу порогового блока, первый вход которого соединен с выходом сумматора, входы которого соединены с выходами блоков сравнения, при этом каждый из блоков сравнения содержит перемножитель и блок сложения, первые входы которых объединены и являются первым входом блока сравнения, вторым входом которого являются объединенные вторые входы перемножителя и блока сложения, последовательно соединенные квадратор и пороговый блок, второй вход которого соединен с выходом перемножителя, а выход блока сложения соединен с входом квадратора, выход порогового блока является выходом блока сравнения. 2. Обнаружитель сигналов по п.1, отличающийся тем, что каждый из N вычислителей содержит линию задержки, L перемножителей и L + 1 квадраторов, выходы которых являются 2L + 1 выходами вычислителя, каждый отвод линии задержки соединен с входом соответствующего квадратора, кроме первого, и первым входом соответствующего перемножителя, кроме первого, а средний отвод линии задержки соединен с вторыми входами перемножителей, вход линии задержки является входом вычислителя и соединен с первым входом первого из L перемножителей и входом первого из L + 1 квадраторов.