СПОСОБ МНОГОКАНАЛЬНОГО ОБНАРУЖЕНИЯ И ОЦЕНИВАНИЯ ЧИСЛА ПРОСТРАНСТВЕННО-КОРРЕЛИРОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ИЗЛУЧЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2001 года по МПК G01S3/00 G01S3/46 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для обнаружения и оценивания числа пространственно-коррелированных источников излучения в радиопеленгационных, радиолокационных, гидролокационных, геофизических и других многоканальных системах пассивной и активной локации, в которых используются антенные решетки.

Известен способ оценивания числа пространственно-коррелированных источников излучения [1], при котором сигналы источников излучения принимают датчиками антенной решетки, вычисляют выборочную корреляционную матрицу (ВКМ) сигналов с датчиков антенной решетки, вычисляют собственные значения (СЗ) ВКМ и упорядочивают их в порядке убывания, по полученным значениям СЗ ВКМ формируют информационный критерий Акаике (ИКА) [1]:

где m - параметр критерия Акаике (m=1,.., N-1);
N - число датчиков антенной решетки;
λ_n - собственное значение ВКМ;
n - номер СЗ ВКМ (n = 1,..., N).

Число источников излучения М определяют по минимальному значению критерия (1).

Недостатком способа Акаике является недостаточная точность определения числа источников излучения М [1, с. 446] и недостаточная достоверность обнаружения.

Наиболее близким по совокупности признаков к предлагаемому изобретению является способ оценивания числа пространственно-коррелированных источников излучения [2] , при котором сигналы источников излучения принимают N датчиками антенной решетки, вычисляют ВКМ сигналов с датчиков антенной решетки, вычисляют СЗ ВКМ. Процедуру оценки числа пространственно-коррелированных источников излучения рассматривают как пошаговый процесс, на n-ом шаге которого производится сравнение n-го СЗ с порогом. Если СЗ больше порога, то принимают решение о том, что число источников излучения больше чем n-1, и с порогом сравнивается следующее СЗ. В противном случае, процесс останавливается и принимается решение о том, что число источников излучения равно n-1 [2].

Пороговое значение для первого СЗ рассчитывают с использованием функции распределения первого СЗ ВКМ [2] матрицы размерности N. Пороговые значения для второго и последующих СЗ ВКМ рассчитывают с использованием неравенства, дающего некоторую оценку функции распределения (М+1)-го СЗ матрицы размерности N через функцию распределения первого СЗ матрицы размерности (N-M):
F₁(λ,N-M)≅F_M+1(λ,N), (2)
где F₁ (λ, N - M) - функция распределения первого СЗ ВКМ матрицы размерности (N-M);
F_М+1 (λ, + N) - функция распределения (М+1)-го СЗ ВКМ матрицы размерности N.

Недостатком этого способа является недостаточная точность определения числа источников излучения и недостаточная достоверность обнаружения.

Для повышения точности определения числа источников излучения и достоверности обнаружения предлагается способ многоканального обнаружения и оценивания числа пространственно-коррелированных источников излучения. Его суть заключается в следующем:
1. Принимают сигналы с N датчиков антенной решетки, вычисляют ВКМ, вычисляют СЗ ВКМ, упорядочивают СЗ ВКМ в порядке убывания.

2. М первых СЗ ВКМ подают на вычитающие устройства, (N-M) последних СЗ ВКМ подают на устройство экстраполяции и получают оценки "шумовых" составляющих для М первых СЗ. По экстраполирующей функции рассчитывают среднюю мощность шумов в каналах
3. Умножают нормированные значения порогов на полученное значение средней мощности шумов в каналах вычитают из первых М СЗ λ_n соответствующие оценки "шумовых" составляющих и сравнивают полученные значения с порогами.

4. Если все пороги превышены, то принимают решение о том, что число источников равно М и процедуру оценивания заканчивают.

Для более точного оценивания числа источников излучения предложенный способ используют в виде пошаговой процедуры. На первом шаге экстраполяцию делают по одному последнему шумовому СЗ при M=N-1. Если пороги для первых М СЗ не превышены, то процедуру экстраполяции выполняют по двум последним шумовым СЗ при M=N-2, и так далее до М=1. Если порог не превышен при М=1, то принимается решение об отсутствии источников излучения.

Функциональная схема устройства, осуществляющего заявляемый способ обнаружения и оценивания числа пространственно-коррелированных источников излучения, приведена на чертеже.

В заявляемом устройстве экстраполяция выполняется с использованием экспоненциальной функции вида

где константа;
L - число временных отсчетов, используемых при расчете ВКМ;
k - параметр, который рассчитывается из условия минимизации ошибки

После нахождения значения k выполняется расчет "шумовых" составляющих для М первых СЗ по формуле (3) при n = 1,..., М.

Средняя мощность шумов в каналах рассчитывается как среднее значение экстраполирующей функции по всем N собственным значениям

Пороги для М первых собственных значений получаются путем умножения нормированных порогов на среднюю мощность шумов в каналах (5). Из М первых CЗ λ_n вычитаются соответствующие оценки "шумовых" составляющих и полученные значения сравниваются с порогами.

Нормированные пороговые значения рассчитываются для единичных средних мощностей шумов в каналах. Для расчета используются многомерные нормальные функции распределения СЗ ВКМ:

где - флюктуационная составляющая n-го СЗ ВКМ;
- среднее значение флюктуационной составляющей;
σ_n - дисперсия флюктуационной составляющей.

Средние значения и дисперсии флюктуационных составляющих вычисляются методом имитационного моделирования алгоритма, реализующего заявленный способ. Моделирование выполняется по шумовым реализациям без сигналов источников излучения. Исследование проводится для заданных значений числа датчиков антенной решетки N и числа временных отсчетов L. Полученные средние значения и дисперсии флюктуационных составляющих СЗ ВКМ хранятся в виде таблицы. Пороговые значения по каждому СЗ рассчитываются на основании (6) исходя из заданного значения вероятности ложной тревоги.

Заявляемый способ многоканального обнаружения и оценивания числа пространственно-коррелированных источников излучения повышает точность определения числа источников излучения и повышает достоверность обнаружения.

Источники информации
1. Марпл.-мл. С.Л. Цифровой спектральный анализ и его приложения: Пер. с англ. М.: Мир, 1990.

2. Ермолаев В.Т., Радюшкин К.В. Функция распределения максимального собственного числа выборочной корреляционной матрицы собственного шума элементов антенной решетки. //Изв. Вузов. Радиофизика.- 1999.- Т. 42.- N 5.- С. 494-500.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для обнаружения и оценивания числа пространственно-коррелированных источников излучения в радиопеленгационных, радиолокационных, гидролокационных, геофизических и других многоканальных системах пассивной и активной локации, в которых используются антенные решетки. Достигаемым техническим результатом является повышение точности определения числа пространственно-коррелированных источников излучения и достоверности обнаружения по собственным значениям выборочных корреляционных матриц сигналов с выходов N датчиков антенной решетки. Цель достигается тем, что N - М последних собственных значений выборочной корреляционной матрицы подают на экстраполятор, находят оценки "шумовых" составляющих для М первых собственных значений и перед сравнением с порогами из М первых собственных значений вычитают оценки "шумовых" составляющих, а пороги для М первых собственных значений получают путем умножения нормированных порогов на среднюю мощность шумов в каналах, которая рассчитывается по экстраполирующей функции. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ многоканального обнаружения и оценивания числа пространственно-коррелированных источников излучения, при котором сигналы пространственно-коррелированных источников излучения принимают N датчиками антенной решетки, где N - заданное число датчиков антенной решетки, вычисляют выборочную корреляционную матрицу упомянутых сигналов, вычисляют собственные значения λ_n выборочной корреляционной матрицы, упорядочивают упомянутые собственные значения λ_n в порядке убывания, сравнивают их с пороговыми значениями, отличающийся тем, что перед сравнением с пороговыми значениями из М первых упомянутых собственных значений λ_n, где М = N -1, N - 2, ... до N - М = 1, вычитают соответствующие оценки шумовых составляющих упомянутых собственных значений λ_n, которые рассчитывают путем экстраполяции по (N - M) последним упомянутым собственным значениям λ_n, пороговые значения для М первых упомянутых собственных значений λ_n получают путем умножения нормированных пороговых значений на среднюю мощность шумов в каналах, которую рассчитывают как среднее значение экстраполирующей функции по всем N упомянутым собственным значениям λ_n, если все пороговые значения превышены полученными значениями то принимают решение о том, что число обнаруженных пространственно-коррелированных источников излучения равно М, если пороговое значение не превышено при М = 1, то принимают решение об отсутствии пространственно-коррелированных источников излучения. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для экстраполяции по (N - М) последним упомянутым собственным значением λ_n' используется экспоненциальная функция вида

- константа,
L - число временных отсчетов, используемых при расчете выборочной корреляционной матрицы упомянутых сигналов,
k - параметр, который рассчитывают из условия минимизации ошибки ε, по критерию наименьших квадратов по (N-М) последним, упомянутым собственным значениям λ_n
{