СПОСОБ РАЗЛИЧЕНИЯ ПОЛЕЗНЫХ И МЕШАЮЩИХ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ СИГНАЛОВ НА ВЫХОДЕ ПЕРВИЧНОЙ ОБРАБОТКИ Российский патент 2004 года по МПК G01S7/36 

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано для обнаружения полезных импульсных эхо-сигналов на фоне помех.

Обнаружение полезных импульсных сигналов на фоне помех предполагает первичную обработку принимаемого входного воздействия, состоящую во внутрипериодной и межпериодной фильтрации с последующим сравнением полученного выходного эффекта с пороговым уровнем. Формирование порогового уровня представляет собой самостоятельную задачу, которая, по сути, сводится к различению полезных и мешающих сигналов на выходе первичной обработки. В условиях сложной и быстро меняющейся сигнально-помеховой обстановки, характеризующейся большой степенью априорной неопределенности, порог различения на выходе первичной обработки должен формироваться адаптивно, обеспечивая при этом высокую вероятность правильной идентификации полезных и мешающих сигналов.

Известны различные способы формирования порога. Среди них значительное место занимают методы, основанные на формировании адаптивного порога путем усреднения амплитудных величин сигналов в элементах разрешения по обе стороны от контролируемого элемента разрешения (см., например, патенты США №3701149, G 01 S 7/34, 1972 или №5038145, G 01 S 7/28, 1991).

Эти способы, относительно простые в практической реализации и имеющие минимальные потери, вносимые в обнаружение одиночных полезных сигналов на фоне собственного шума приемника, характеризуются двумя существенными недостатками. Во-первых, это инерционность или наличие эффекта сглаживания в связи с базированием пороговых схем на линейных фильтрах - инерционных устройствах, что приводит к снижению качества различения полезных и мешающих сигналов в присутствии нестационарных помех. Во-вторых, при наложении нескольких полезных сигналов относительно слабые среди них могут маскироваться сильными.

Известен наиболее близкий к заявляемому способ различения полезных и мешающих радиолокационных сигналов на выходе первичной обработки, заключающийся в сравнении амплитуды сигнала в испытываемом элементе разрешения с адаптивным пороговым уровнем, формируемым на основе одной из порядковых статистик, образованных из амплитуд сигналов в нескольких элементах разрешения, посредством выделения сигнала из второго в направлении возрастания амплитуд полуинтервала порядковых статистик и умножения его амплитудной величины на коэффициент, выбираемый из условия обеспечения заданного уровня ложных тревог по собственному шуму приемника (см. патент США №4649394, G 01 S 7/28, 1987 г.).

Недостатком данного способа является неконтролируемый уровень ложных тревог по соизмеримым или превышающим уровень собственного шума приемника боковым лепесткам полезных сигналов, особенно, в условиях их интерференции при наложении нескольких полезных сигналов.

В соответствии со структурной схемой устройства, реализующего способ-прототип (см. фиг.2), единственная порядковая статистика, используемая для формирования порога, недостаточна для превышения пороговым уровнем боковых лепестков (см. кривую ПС в примере тестовой сигнально-помеховой ситуации, проиллюстрированной на фиг.3).

Техническим результатом предлагаемого изобретения является устранение указанного недостатка способа-прототипа при сохранении безынерционности, отсутствия маскировки слабых полезных сигналов сильными и незначительных потерь, вносимых в обнаружение полезных сигналов.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе различения полезных и мешающих радиолокационных сигналов на выходе первичной обработки, заключающемся в сравнении амплитуды сигнала в испытываемом элементе разрешения с адаптивным пороговым уровнем, формируемым на основе взятой в качестве базовой одной (X^(k)) из порядковых статистик, образованных из амплитуд сигналов в нескольких элементах разрешения, посредством умножения указанной порядковой статистики на коэффициент Т, выбираемый из условия обеспечения заданного уровня ложных тревог по собственному шуму приемника, сигнал, соответствующий максимальной порядковой статистике Х^(N), сравнивают по величине амплитуды с критическим уровнем R, равным величине главного пика полезного сигнала, боковые лепестки которого соизмеримы с собственным шумом приемника, в зависимости от результата сравнения выбирают значение коэффициента коррекции α порогового уровня, учитывающего появление полезных сигналов с известной формой, боковые лепестки которых соизмеримы с собственным шумом приемника, и сигнал, соответствующий пороговому уровню, усиливают до амплитудной величины П в соответствии с формулой:

П=Т· Х^(K)+α · X^(N),

где N - количество элементов разрешения с сигналами, используемыми для образования ряда порядковых статистик;

К - номер порядковой статистики, выбираемой из интервала

при этом α ₀ - коэффициент, выбираемый путем калибрования, исходя из условия приемлемого увеличения порогового уровня над боковыми лепестками ожидаемого полезного сигнала.

Предлагаемый способ позволяет осуществить необходимую коррекцию порога в сторону увеличения при наличии полезного сигнала, боковые лепестки которого соизмеримы или превышают уровень собственного шума приемника. Действительно при условии наличия аддитивной смеси собственного шума с известной интенсивностью, допускаемого в практике, и сильного полезного сигнала возникает необходимость сравнения с порогом сигнала в элементе разрешения, содержащем боковой лепесток полезного сигнала. При достаточно большом объеме N обучающей выборки она будет содержать главный пик полезного сигнала, а максимальная порядковая статистика Х^(N) будет равна величине этого пика. Поскольку соотношение между главным пиком и боковыми лепестками фиксировано, то ясно, что подобрав экспериментально коэффициент α ₀, можно осуществить необходимое увеличение порога. Чтобы не вносить дополнительных потерь в обнаружение слабых полезных сигналов, введен критический уровень R. Если процесс содержит только относительно слабые сигналы: Х^(N)≤^{R, то статистика Х(N) учитывается с нулевым весом, т.е. коррекция порога не производится, чем и обеспечивается такой же уровень потерь по слабым полезным сигналам, как и в прототипе.}

Константы R и α ₀ подбирают экспериментально, а также с помощью моделирования.

На фиг.1 и 2 представлены структурные схемы устройств, реализующих соответственно заявляемый способ различения полезных и мешающих радиолокационных сигналов на выходе первичной обработки и способ по прототипу; на фиг.3 - пример тестовой сигнально-помеховой ситуации на выходе некогерентного накопителя и на фиг.4 - оценочные кривые потерь в отношении сигнал-шум, вносимых при реализации предлагаемого способа.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит блок памяти 1 на N отсчетов-элементов разрешения с выделенным испытываемым отсчетом-элементом разрешения Y, подключенный к устройству ранжирования 2 для образования ряда порядковых статистик с выделяемыми элементами с базовой Х^(K) и максимальной Х^(N) порядковыми статистиками, подсоединенному, в свою очередь, к блоку умножителя 3 и компаратору 4 с разветвлением ввода в блок умножителя 3 базовой Х^(K) и максимальной Х^(N) порядковых статистик и в компаратор 4 максимальной Х^(N) порядковой статистики (см. фиг.1). Блок умножителя 3 и компаратор 4 снабжены устройствами подбора значений коэффициента α ₀ и критического уровня R (на фиг.1 не показаны) следующим образом: блок умножителя 3 на входе соединен с выводом коэффициента α из коммутатора 5, управляемого компаратором 4, при этом коммутатор 5 имеет ввод значений коэффициента α ₀, а компаратор 4 - ввод критического уровня R, кроме того, блок умножителя 3 имеет ввод значения коэффициента Т из устройства его подбора (на фиг.1 не показано). Блок умножителя 3 на выходе питает сумматор 6 базовой (Т· Х^(K)) и корректирующей (α · Х^(N)) составляющими порогового уровня П, сумматор 6 подключен выводом порогового уровня П к компаратору 7, соединенному на вводе также с контролируемым элементом разрешения Y блока памяти 1.

Способ различения полезных и мешающих радиолокационных сигналов на выходе первичной обработки осуществляют следующим образом.

С помощью устройства для реализации заявляемого способа производят следующие операции обработки радиолокационных сигналов на выходе некогерентного накопителя. Из блока памяти 1 (см. фиг.1) извлекают и подают радиолокационные сигналы для формирования порядковых статистик в устройство ранжирования 2, параллельно испытываемый на наличие полезного сигнала радиолокационный сигнал направляют для итогового различения в компаратор 7. После предварительного сравнения максимальной Х^(N) порядковой статистики с критическим уровнем R в компараторе 4 амплитудные величины сигналов, выделенные в устройстве ранжирования 2 в качестве базовой Х^(K) и максимальной X^(N) порядковых статистик, подвергают умножению в блоке умножителя 3 на экспериментально подбираемые коэффициенты соответственно Т и α . Результаты этих умножений в случае значения α =α ₀ суммируют для формирования порогового уровня П в сумматоре 6. Выработанный в сумматоре 6 сигнал с амплитудой величиной П подают для сравнения с испытываемым на наличие полезного сигнала радиолокационным сигналом Y в компаратор 7. В случае значения α =0, в компаратор 7 из блока умножителя 3 поступает базовая составляющая порогового уровня Т· Х^(K).

Представленная на фиг.3 тестовая сигнально-помеховая ситуация позволяет показать преимущества заявляемого способа в сравнении со способом-прототипом.

Она содержит три сжатых сложных сигнала с главными пиками 1, 2, 3 и сильными боковыми лепестками и собственный шум 4 на выходе некогерентного накопителя.

Как видно из фиг.3 (кривая ПСМ), порог предлагаемого способа надежно накрывает боковые лепестки полезных сигналов, обеспечивая при этом обнаружение их главных пиков. В присутствии нестационарной помехи характеристики предлагаемого способа также остаются достаточно высокими.

Кривая ПС по способу-прототипу (см. фиг.3) оказалась превышенной не только главными пиками полезных сигналов, но и несколькими их боковыми лепестками. Это обусловлено тем, что единственная порядковая статистика недостаточно полно учитывает характер распределения процесса в области сильных боковых лепестков, в результате реализации способа-прототипа с помощью структурной пороговой схемы, ограниченной блоком памяти 1, устройством ранжирования 2, блоком умножителя 3 и компаратором 7 (см. фиг.2) и обеспечивающей формирование только базовой составляющей порогового уровня Т· Х^(K).

На фиг.4 приведены оценочные кривые потерь в отношении сигнал-шум, вносимые в предлагаемом способе, для сигналов, обнаруживаемых с вероятностью Р_D=0,5 при вероятности ложных тревог Р_F=10^-6 при различных значениях М некогерентно накапливаемых импульсов и размерности N обучающей выборки. Как следует из кривых потери, вносимые предлагаемым методом, при соответствующем выборе параметров М и N могут быть сведены к пренебрежимо малой величине для большинства практически важных случаев.

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано для обнаружения полезных импульсных эхо-сигналов на фоне помех. Технический результат изобретения - снижение вероятности ложных тревог за счет контроля их уровня по соизмеримым или превышающим уровень собственного шума приемника боковым лепесткам полезных сигналов, особенно в условиях их интерференции при наложении нескольких полезных сигналов. Для достижения технического результата в способе различения полезных и мешающих радиолокационных сигналов, заключающемся в сравнении амплитуды сигнала в испытываемом элементе разрешения с адаптивным пороговым уровнем, формируемым на основе одной (Х^(k)) из порядковых статистик, образованных из амплитуд сигналов в нескольких элементах разрешения, посредством умножения указанной порядковой статистики на коэффициент Т, выбираемый из условия обеспечения заданного уровня ложных тревог по собственному шуму приемника, пороговый уровень П формируют путем выделения сигнала из элемента разрешения, соответствующего максимальной порядковой статистике, сравнения амплитудной величины Х^(N) этого сигнала с критическим уровнем R, равным величине главного пика полезного сигнала, боковые лепестки которого соизмеримы с собственным шумом приемника, сигнал, соответствующий максимальной порядковой статистике Х^(N), сравнивают по величине амплитуды с критическим уровнем R, равным величине главного пика полезного сигнала, боковые лепестки которого соизмеримы с собственным шумом приемника, в зависимости от результата сравнения выбирают значение коэффициента коррекции α порогового уровня, учитывающего появление полезных сигналов с известной формой, боковые лепестки которых соизмеримы с собственным шумом приемника, после чего максимальную порядковую статистику Х^(N) умножают на коэффициент α и сигнал, соответствующий пороговому уровню, усиливают до соответствующей величины П. 4 ил.

Способ различения полезных и мешающих радиолокационных сигналов на выходе первичной обработки, заключающийся в сравнении амплитуды сигнала в испытываемом элементе разрешения с адаптивным пороговым уровнем, формируемым на основе одной (Х^(K)) из порядковых статистик, образованных из амплитуд сигналов в нескольких элементах разрешения, посредством умножения указанной порядковой статистики на коэффициент Т, выбираемый из условия обеспечения заданного уровня ложных тревог по собственному шуму приемника, отличающийся тем, что сигнал, соответствующий максимальной порядковой статистике Х^(N), сравнивают по величине амплитуды с критическим уровнем R, равным величине главного пика полезного сигнала, боковые лепестки которого соизмеримы с собственным шумом приемника, в зависимости от результата сравнения выбирают значение коэффициента коррекции α порогового уровня, учитывающего появление полезных сигналов с известной формой, боковые лепестки которых соизмеримы с собственным шумом приемника, после чего максимальную порядковую статистику Х^(N) умножают на коэффициент α и сигнал, соответствующий пороговому уровню, усиливают до амплитудной величины П в соответствии с формулой

П=Т·Х^(K)+α·X^(N),

где N - количество элементов разрешения с сигналами, включаемыми для образования ряда порядковых статистик;

К - номер базовой порядковой статистики, выбираемой из интервала

при этом α₀ - коэффициент, выбираемый путем калибрования, исходя из условия приемлемого увеличения порогового уровня над боковыми лепестками ожидаемого полезного сигнала.