СПОСОБ ИДЕНТИФИКАЦИИ РАДИОИЗЛУЧЕНИЙ Российский патент 2004 года по МПК G01S5/04 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в радиопеленгаторах и системах радиоконтроля.

Потребность идентификации радиоизлучений, то есть установления их принадлежности одному или различным источникам, возникает во многих практических приложениях. Например, при приеме и пеленговании сигналов передатчиков со скачкообразным изменением частоты, многочастотных сигналов, в частности, сигналов многоканальных радиосистем с частотным или временным уплотнением каналов, при выполнении в каналах приема преобразования Фурье, с неизбежностью вызывающего дискретизацию спектров сигналов, когда необходимо их последующее объединение. Объективным признаком идентификации в указанных задачах служит направление на источник излучения. Однако при неопределенности о направлении прихода сигналов, их параметрах, интенсивности шума простое сравнение пеленгов идентифицируемых источников сталкивается с трудно или вовсе не разрешимой проблемой обоснованного выбора порога сравнения (идентификации).

Так известен способ пространственной идентификации сигналов, включающий когерентный прием и регистрацию сигналов от нескольких передатчиков для всех баз, образованных входящими в решетку антеннами, измерение, с применением преобразования Фурье, комплексной амплитуды сигналов каждой антенны и квадратов ее модулей, преобразование совокупности комплексных амплитуд с помощью двумерного пространственного преобразования Фурье в комплексный угловой спектр, по максимуму модуля которого определяют азимутальные и угломестные пеленги на идентифицируемые источники, сравнением которых принимают решение о принадлежности излучений одному или нескольким передатчикам [патент РФ №2151406, G 01 S 5/04, 5/14, Н 04 В 17/00, 1999 г.].

Данный способ в отсутствии информации о точности измерения пеленгов, например, при неизвестной амплитуде сигнала или интенсивности шума, имеет низкую достоверность идентификации. Принципиально возможна ориентация на эксплуатационные точности, однако они не всегда известны, меняются по частотному диапазону, зависят от условий распространения радиоволн. Все это приводит к нестабильности и негарантированности качества принимаемых решений. Кроме того, снижается чувствительность реализующих способ устройств. К недостаткам способа следует отнести и относительную сложность, связанную с необходимостью выполнения большого объема операций по определению пеленгов идентифицируемых источников (преобразование совокупности комплексных амплитуд с помощью двумерного пространственного преобразования Фурье в комплексный угловой спектр, получение и максимизация его модуля).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому (прототип) являет способ идентификации источников радиоизлучений, включающий прием радиоизлучений с помощью антенной системы, состоящей из идентичных антенн и многоканального приемного устройства, измерение (с применением преобразования Фурье) для каждой из возможных комбинаций пар антенн комплексных амплитуд сигналов с получением их квадратов, взаимных произведений и аргументов взаимных произведений (разностей фаз), сравнение разностей фаз сигналов идентифицируемых источников, принятых на одинаковые пары антенн, по результатам которого принимают решение о принадлежности излучений одному или разным источникам радиоизлучения [заявка на изобретение №2002123675 от 06.09.2002 г., кл. G 01 R 27/10].

Данный способ не требует определения пеленгов идентифицируемых источников, однако, также имеет низкую достоверность идентификации сигналов в отсутствии информации о точности измерений, в данном случае, разности фаз между сигналами, в частности при неизвестных параметрах сигналов и шумов. Это приводит к нестабильности и негарантированности качества принимаемых решений. Сравнение разностей фаз при неизвестной дисперсии есть частный вариант проблемы Беренса-Фишера о сравнении средних, не имеющей корректного статистического решения [Леман Э. Проверка статистических гипотез, М., Наука, с.191, 1979 г.].

Задачей данного изобретения является повышение достоверности идентификации радиоизлучений в условиях априорной неопределенности о направлении прихода сигналов, их параметрах (амплитудах, фазах), интенсивности шумов в каналах приема.

Это достигается тем, что в известном способе идентификации радиоизлучений, заключающемся в приеме радиоизлучений с помощью антенной системы, состоящей из идентичных антенн и многоканального приемного устройства, измерении для каждой из возможных комбинаций пар антенн комплексных амплитуд сигналов с получением их квадратов и взаимных произведений, дополнительно:

квадраты модулей амплитуды усредняют по совокупности комбинаций пар антенн и радиоизлучений P₁;

определяют модули взаимных произведений амплитуд и усредняют их по совокупности комбинаций пар антенн и радиоизлучений P₂;

взаимные произведения комплексных амплитуд сигналов, принятых на одинаковые пары антенн, усредняют по совокупности радиоизлучений с определением модулей, которые, в свою очередь, усредняют по совокупности комбинаций пар антенн Р₃:

по результатам усреднения определяют решающую статистику в виде отношения разностей усредненных величин:

которую сравнивают с порогом, устанавливаемым по критерию Неймана-Пирсона, исходя из заданной вероятности правильной идентификации и количества комбинаций пар антенн.

Причем усреднение квадратов модулей амплитуды сигналов, в случае применения двухканального приемного устройства, поочередно подключаемого к парам различных антенн, при различии коэффициентов усиления каналов приемного устройства, выполняют первоначально усреднением квадратов модулей амплитуды сигналов принятых разными каналами двухканального приемного устройства по совокупности пар антенн и радиоизлучений с последующим определением их среднего геометрического.

Сопоставительный анализ заявленного решения с прототипом показывает, что предложенный способ отличается от известного наличием, во-первых, новых действий над сигналом: усреднение квадратов модулей амплитуды в частности с определением среднего геометрического средних квадратов модулей сигналов в каналах приема; получение модулей взаимного произведения амплитуд сигналов и их усреднение; усреднение взаимных произведений амплитуд сигналов с получением модуля и последующим усреднением; преобразование результатов усреднений в решающую статистику по определенному правилу, во-вторых, новых условий осуществления действий: усреднение по совокупности комбинаций пар антенн и радиоизлучений; установка порога исходя из заданной вероятности правильной идентификации и количества комбинаций пар антенн.

При изучении других известных технических решений в данной области техники указанная совокупность признаков, отличающая изобретение от прототипа, не была выявлена.

Результаты статистического синтеза при неопределенности о фазе, амплитуде сигналов, дисперсии шума, направлении на источники излучения, комплексных коэффициентах передачи каналов приемного устройства показывают, что кроме получения достаточной статистики в виде квадратов модулей амплитуды и взаимного произведения комплексных амплитуд сигналов (прототип) существенными операциями являются нелинейные их преобразования и специфические усреднения, в частности, с изменением последовательности выполнения линейных и нелинейных операций: усреднение модулей взаимных произведений комплексных амплитуд и получение модуля усредненных взаимных произведений; определение среднего геометрического усредненных квадратов модулей амплитуды сигналов в каналах приема; проведение усреднения по совокупности радиоизлучений и комбинаций пар антенн.

Решающая статистика, определяемая как отношение разностей результатов усреднения, оказывается, в случае приема радиоизлучений одного источника, инвариантной ко всем указанным параметрам, и напротив зависит от параметров сигналов и шумов при приеме излучений разных передатчиков. Физической основой наличия оптимального статистического решения служит постоянство амплитудно-фазовых соотношений между сигналами, принятыми каждой парой антенн, при излучении одного источника и различие этих соотношений в противном случае. Инвариантность решающей статистики к параметрам сигналов и шума объясняется получением специфического отношения, в котором неизвестные параметры взаимно компенсируются.

Именно использование свойства постоянства амплитудно-фазовых соотношений между сигналами и компенсационных возможностей операции деления (отношения) в соответствии с предложенными новыми действиями над сигналом и условиями их осуществления, позволяет выполнять идентификацию радиоизлучений при неопределенности о фазе, амплитуде сигналов, дисперсии шума, направлении на источники излучения, комплексных коэффициентах передачи каналов приемного устройства.

На фиг.1 приведена структурная схема устройства, реализующего предложенный способ, на фиг.2 - гистограммы распределения решающей статистики при отношении амплитуды сигнала к среднему квадратическому значению шума (отношении сигнал/шум), равном 10, на фиг.3 - гистограммы распределения решающей статистики при отношении сигнал/шум, равном 50 (сплошная линия) и равном 3 (пунктир), на фиг.4 - характеристики идентификации.

Устройство, реализующее предложенный способ, содержит вибраторные антенны 1.0-1.N-1, антенный коммутатор 2, двухканальный приемник 3, цифровые схемы формирования квадратурных составляющих 4.1, 4.2, умножители комплексных чисел 5.1-5.3, накапливающие сумматоры 6.1-6.4, запоминающие ячейки 7.1-7.3, сумматоры 8.1-8.4, регистр сдвига 9, устройства определения модуля 10.1, 10.2, умножитель 11, устройство извлечения квадратного корня 12, вычитатели 13.1, 13.2, делитель 14, пороговый элемент 15.

Выходы антенн 1.0-1.N-1 подключены к входам антенного коммутатора 2, а два его выхода подключены к входам приемника 3. Цифровые схемы формирования квадратурных составляющих 4.1 (4.2), умножители комплексных чисел 5.1 (5.3), накапливающие сумматоры 6.1 (6.3), запоминающие ячейки 7.1 (7.3), сумматоры 8.1 (8.3) соединены последовательно. Входы цифровых схем формирования 4.1 и 4.2 соответственно подключены к выходам первого и второго каналов приемника 3. Умножитель комплексных чисел 5.2, устройство определения модуля 10.2, накапливающий сумматор 6.2, запоминающая ячейка 7.2, сумматор 8.2, вычитатель 13.2, делитель 14 соединены последовательно. Регистр сдвига 9, сумматор 8.4, устройство определения модуля 10.1 и накапливающий сумматор 6.4 соединены последовательно. Выход схемы 4.1 (4.2) дополнительно подключен ко второму входу умножителя комплексных чисел 5.1 (5.3) и первому (второму) входу умножителя комплексных чисел 5.2, выход которого подключен к входу регистра сдвига 9 и второму входу сумматора 8.4. Выход сумматора 8.1 через умножитель 11, устройство извлечения квадратного корня 12, вычитатель 13.1, второй вход делителя 14 подключен к пороговому элементу 15, выход которого является выходом устройства. Выход накапливающего сумматора 6.4 подключен ко вторым входам вычитателей 13.1, 13.2. Сумматор 8.3 выходом соединен со вторым входом умножителя 11. Выходы сумматоров 6.1, 6.2, 6.3 соответственно подключены ко вторым входам сумматоров 8.1, 8.2, 8.3.

Вибраторные антенны 1.0, 1.1,... ,(N-1) антенной системы идентичны, их количество не менее двух, размещены по окружности на одинаковом взаимном удалении. Одна из антенн ориентирована от центра окружности на север и имеет номер 0. Нумерация других антенн по часовой стрелке с нарастанием номеров. Антенный коммутатор 2 производит переключение пар антенн в скользящем режиме из N положений на два направления в последовательности номеров антенн: 0-1, 1-2,... (N-1)-0. Общее число циклов переключения (комбинаций пар антенн) при таком варианте исполнения равно числу антенн. Цикл подключения одной пары антенн продолжается в течение времени Т. Приемник 2 двухканального типа с настройкой каналов на частоту принимаемых сигналов и полосой пропускания F, согласованной с шириной их спектра. Цифровые схемы формирования квадратурных составляющих 4.1, 4.2 имеют постоянную времени, равную Т, которая выбирается из условия T>1/2F. Схемы 4.1, 4.2 могут быть выполнены по варианту, приведенному в [Побережский К.С. Цифровые радиоприемные устройства. М., Радио и связь, 1987, с.67-68, рис.3.14]. Регистр сдвига 9 имеет число разрядов, равное заданному числу циклов переключения пар антенн N≥ 2. Значение порога в элементе 15 фиксированное, устанавливается вне зависимости от интенсивности шума и других параметров, исходя из заданного уровня правильной идентификации и количества циклов переключения антенн N.

Принцип функционирования устройства состоит в следующем.

Радиоизлучения передатчиков принимают с помощью антенн 1.0-1.(N-1) и поочередно подключаемого к парам антенн через коммутатор 2 приемника 3. При каждом цикле переключения в схемах формирования квадратурных составляющих 4.1, 4.2 измеряется комплексная амплитуда сигнала соответствующей пары антенн:

где ξ _r,l,n - напряжение на выходе l-го (l=1, 2) канала приемника в n-м (n=0,1,... ,N-1) цикле переключения для r-го радиоизлучения (r=1, 2);

f₀ - частота выходного сигнала приемника.

В силу независимости шумов на входе каналов приемника при T>1/2F, значения комплексных амплитуд сигналов также независимы, а их совокупность описывается нормальным законом распределения вида:

где - комплексная амплитуда сигнала r-го радиоизлучения в n-м цикле переключения при отсутствии шумов в каналах приема;

σ ² - дисперсия шума на входе каналов приемника в полосе F;

- комплексный коэффициент передачи второго канала, нормированный относительно первого;

- диаграмма направленности n-й антенны;

θ _r - направление (пеленг) на r-й излучатель;

⊕ - операция сложения по модулю N.

По завершении очередного интервала (n+1) Т измеренные значения комплексной амплитуды (1) подают на последующую обработку. Существо обработки определяется результатами статистического синтеза на основе максимизации функции правдоподобия (2) по неизвестным параметрам: амплитуде, фазе сигналов, дисперсии шума, направлении на источники излучения, комплексных коэффициентах передачи каналов приемного устройства.

Обработка предусматривает операции, прежде всего, получения достаточной статистики (прототип) в виде образующихся в умножителях комплексных чисел 5.1 (1=1) и 5.3 (1=2), квадратов модулей амплитуды:

и произведений комплексных амплитуд на выходе умножителя 5.2:

где * - знак комплексного сопряжения.

Полученные значения достаточной статистики, по мере поступления, усредняют в накапливающих сумматорах:

квадраты модулей - непосредственно в блоках 6.1 и 6.3, образуя по истечении N циклов переключения антенн промежуточные результаты в виде средней мощности сигнала в каналах приема:

где r=1,

а взаимные произведения в блоке 6.2 - после определения модуля в устройстве 10.2:

Кроме того, значения произведений (4) запоминают в регистре сдвига 9, а промежуточные результаты (5), (6) - в запоминающих ячейках 7.1-7.3.

По завершении полного цикла обработки первого радиоизлучения (r=1) производят аналогичную обработку для второго идентифицируемого излучения (r=2). При этом приемник 2 может предварительно перестраиваться на новую частоту или оставаться на ранее установленной. Особенность второй половины процесса идентификации состоит в следующем. Во-первых, значения взаимных произведений не только последовательно заносят в сдвиговый регистр 9, но и суммируют в сумматоре 8.4 с выходными его значениями, соответствующими принятым ранее от первого источника на антенны с одинаковыми номерами. Определяют модуль взаимных произведений усредненных по совокупности радиоизлучений в блоке 10.1 и усредняют их по совокупности пар антенн в накапливающем сумматоре 6.4:

Во-вторых, по завершении полного цикла переключения антенн при приеме второго радиоизлучения r=2, результаты усреднения, полученные для первого излучения r=1 и хранящиеся в ячейках 7.1.-7.3, усредняют по совокупности радиоизлучений путем суммирования в сумматорах 8.1-8.3.

При этом на выходе сумматора 8.2 образуется величина:

Из результатов усреднения, полученных в сумматорах 8.1, 8.3 после умножения в блоке 11 и извлечения квадратного корня в устройстве 12, образуется среднее геометрическое квадратов амплитуд:

Если каналы приема идентичны, операция (9) заменяется средним арифметическим усреднением, для чего умножитель 11 заменяется сумматором, а устройство 12 - делителем на два.

На завершающей стадии обработки выполнением вычитания Р₂-Р₃ в блоке 13.2 и Р₁-Р₃ в блоке 13.1 с последующим делением в делителе 14 образуют достаточную статистику:

которую в элементе 15 сравнивают с порогом.

Решение о принадлежности излучений двум источникам принимают по превышении порога. В противном случае регистрируют один источник излучения.

Дальнейшее функционирование устройства происходит аналогично изложенному, при этом могут сохраняться данные второго источника (в блоках 7.1-7.3, 9), относительно которого будет выполняться последующая идентификация, или происходит полный цикл обработки с накоплением информации о новой паре радиоизлучений.

При необходимости идентификации радиоизлучений одновременно на нескольких частотах схемы 4.1, 4.2 заменяются процессорами быстрого преобразования Фурье, как это выполнено в прототипе, с распараллеливанием дальнейших описанных операций обработки сигналов. Распараллеливание описанных операций обработки сигналов производится и для варианта применения приемного устройства с большим двух числом каналов.

Значение порога устанавливают фиксированным по критерию Неймана-Пирсона исходя из заданной вероятности правильной идентификации:

где W(Z) - плотность вероятности решающей статистики при наличии на входе излучений одного источника.

В соответствии с результатами анализа и моделирования, решающая статистика имеет β -распределение:

где Г (.) - гамма-функция;

α =N/2; β =N-0,5 - при неидентичных каналах приема и α =(N-1)/2; β =N-1 - при использовании приемников с одинаковыми коэффициентами передачи.

Из формул (11), (12) видно, что решающая статистика определяется только числом N циклов переключения антенн (пар антенн) и вероятностью Р правильной идентификации, следовательно, и порог идентификации С зависит только от данных параметров, что упрощает процедуру его практического расчета и установки.

При наличии на входе устройства излучений различных передатчиков решающая статистика определяется дополнительно значительным числом факторов: конфигурацией антенной системы, порядком переключения антенн, соотношением сигнал/шум, коэффициентами передачи приемников, направлениями на источники.

На фиг.2 приведен пример гистограммы w(Z) распределения решающей статистики для описанного устройства: сплошная линия при идентификации одного источника, пунктиром - при приеме сигналов двух источников. Число выборок при получении гистограммы равно 8000, квантование Z равномерное с дискретностью 0,01. Установлены следующие параметры: N=9; =1.2, Θ ₁=0° ; Θ ₂*

Из фиг.2 видны существенные различия статистических свойств величины Z при приеме сигналов от одного и различных источников, что и служит основой принятия решения в пороговом элементе 15.

На фиг.3 показана гистограмма распределения решающей статистики при условии: θ ₁=θ ₂=0° , =1,5, R/λ =1 и отношении сигнал/шум, равном 50 (сплошная линия) и 3 (пунктир). Приведенные гистограммы имеют несущественные статистические различия, что и подтверждает положение об инвариантности решающей статистики к указанным параметрам: фазе, амплитуде сигналов, дисперсии шума, направлении на источники излучения, комплексным коэффициентам передачи каналов приемного устройства, и позволяет стабилизировать уровень вероятности правильной идентификации.

Эффективность изобретения выражается в обеспечении идентификации радиоизлучений в условиях значительной априорной неопределенности о направлении прихода сигналов, их параметрах (амплитудах, фазах), интенсивности шумов в каналах приема, в том числе при различии коэффициентов передачи каналов. Вероятность правильного разделения излучений предлагаемым способом определяется выражением, аналогичным (11):

где W(Z) - плотность вероятности решающей статистики при наличии на входе излучений различных передатчиков.

Характеристики идентификации, в виде зависимости вероятности правильного разделения источников от направления на второй источник D(θ ₂), обеспечиваемые предлагаемым способом при N=9, k₂=1,1 и типичном для условий функционирования известных пеленгаторов отношений сигнал/шум в каждом канале приема, равном 10, полученные по результатам моделирования, показаны на фиг.3. Значения порога установлены исходя из параметров, указанных в формуле (12) для варианта неидентичных каналов: С=0,518 - для Р=0,90 и С=0,661 - для Р=0,99. Из представленных результатов видно, что при вероятности правильной идентификации не менее 0,9 способ обеспечивает эффективное разделение источников излучения (с вероятностью не менее 0,8) при различии направлений на источники излучения от 2 до 8° и изменении относительной базы R/λ от 3 до 1.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в радиопеленгаторах и системах радиоконтроля. Техническим результатом является обеспечение идентификации радиоизлучений в условиях значительной априорной неопределенности о параметрах сигналов, интенсивности шумов, в том числе, при различии коэффициентов передачи каналов приема, обеспечение заданного уровня вероятности правильной идентификации, например 0,9, и разделение источников излучения с вероятностью не менее 0,8 при различии направлений на источники излучения от 2 до 8° для отношения сигнал/шум не менее 10. Способ идентификации радиоизлучений включает прием радиоизлучений с помощью антенной системы, состоящей из идентичных антенн и многоканального приемного устройства, измерение для каждой из возможных комбинаций пар антенн комплексных амплитуд сигналов с получением их квадратов и взаимных произведений, при этом дополнительно усредняют квадраты модулей амплитуды по совокупности комбинаций пар антенн и радиоизлучений р₁, определяют модули взаимных произведений амплитуд и усредняют их по совокупности комбинаций пар антенн и радиоизлучений Р₂, взаимные произведения комплексных амплитуд сигналов, принятых на одинаковые пары антенн, усредняют по совокупности радиоизлучений с определением модулей, которые, в свою очередь, усредняют по совокупности комбинаций пар антенн Р₃, а по результатам усреднения определяют решающую статистику в виде отношения разностей усредненных величин которую сравнивают с порогом, устанавливаемым по критерию Неймана-Пирсона, исходя из заданной вероятности правильной идентификации и количества комбинаций пар антенн. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ идентификации радиоизлучений, заключающийся в приеме радиоизлучений с помощью антенной системы, состоящей из идентичных антенн и многоканального приемного устройства, измерении для каждой из возможных комбинаций пар антенн комплексных амплитуд сигналов с получением их квадратов и взаимных произведений, отличающийся тем, что дополнительно усредняют квадраты модулей амплитуды по совокупности комбинаций пар антенн и радиоизлучений P₁, определяют модули взаимных произведений амплитуд и усредняют их по совокупности комбинаций пар антенн и радиоизлучений Р₂, взаимные произведения комплексных амплитуд сигналов, принятых на одинаковые пары антенн, усредняют по совокупности радиоизлучений с определением модулей, которые, в свою очередь, усредняют по совокупности комбинаций пар антенн Р₃, а по результатам усреднения определяют решающую статистику в виде отношения разностей усредненных величин

которую сравнивают с порогом, устанавливаемым по критерию Неймана-Пирсона, исходя из заданной вероятности правильной идентификации и количества комбинаций пар антенн.