УСТРОЙСТВО ОБНАРУЖЕНИЯ И ОЦЕНКИ АМПЛИТУДЫ ВИДЕОИМПУЛЬСА Российский патент 2006 года по МПК G01S13/04 H04B1/10 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах радиосвязи, радиолокации и т.д. при приеме, обнаружении видеосигналов, а также в устройствах последетекторной обработки видеоимпульсов с неизвестной формой и амплитудой.

При построении современных высококачественных, помехоустойчивых радиотехнических систем, например навигационных, связных и радиолокационных радиосистем со сверхширокополосными сигналами, а также в нелинейной радиолокации важнейшими проблемами являются максимально помехоустойчивое обнаружение импульсных сигналов типа видеосигналов, принимаемых на фоне помех, в основном белых гауссовых шумов. При этом существующие различные методы построения систем выделения (обнаружения) видеосигналов с неизвестными параметрами из помех и определения оценок амплитуды как алгоритмически, так и аппаратно (т.е. схемотехнически) используют принципы многоканальной фильтрации [1]. Однако, как показано, например, в [2], эти принципы, основанные на методе максимального правдоподобия, являются оптимальными только асимптотически, т.е. при больших отношениях сигнал/шум. Так, например, многоканальная система обнаружения радиоимпульса с неизвестной частотой при параметрах: вероятности правильного обнаружения - D=0.99955, вероятности ложной тревоги - F=0.01 - будет проигрывать оптимальной одноканальной, т.е. использующей полностью известный сигнал (для радиоимпульса - это известные амплитуда, частота, начальная фаза, длительность и начало отсчета) по отношению сигнал/шум 10 дБ при 100 каналах и уже 20 дБ для 1000 каналов. Аналогично проигрыш для многоканальных систем следует и в задаче обнаружения видеоимпульса с неизвестными параметрами, в том числе и с неизвестной амплитудой.

Аналогами заявляемому являются многоканальные системы с линейными фильтрами в каналах [2], однако к их недостаткам следует отнести, во-первых, необходимость в большом числе каналов, если у обнаруживаемого сигнала имеются несколько неизвестных параметров, из которых неизвестная амплитуда может являться существенным, т.е. подлежащим измерению (оценке), во-вторых, недостаточную помехоустойчивость при неизвестных несущественных параметрах, в-третьих, также недостаточную помехоустойчивость, обусловленную аномальными ошибками при перепутывании каналов.

Прототипом, а именно наиболее близким к изобретению по технической сущности, является устройство когерентного обнаружения видеоимпульса, содержащее синхронизирующий генератор и устройство обнуления, а также последовательно соединенные инерционное нелинейное звено типа интегрирующей электрической RC-цепи первого порядка с нелинейным конденсатором и пороговое устройство, у которого второй вход соединен с первым выходом синхронизирующего генератора, а выход подключен к выходу устройства, при этом входом устройства является вход инерционного нелинейного звена, а второй вход синхронизирующего генератора через устройство обнуления подключено к нелинейному конденсатору [3].

Недостатком прототипа при обнаружении видеоимпульса с неизвестной амплитудой и оценке этого неизвестного параметра является недостаточная помехоустойчивость.

Цель изобретения - повышение помехоустойчивости как за счет нелинейной n-канальной (с небольшим числом n) фильтрации, так и адаптации устройства на основе использования нелинейных свойств инерционного нелинейного параметрического звена при его реакции на входное воздействие при обнаружении видеоимпульса на фоне шумов, а также за счет использования текущих решений оценки амплитуды при принятии решения о наличии или отсутствии обнаруживаемого сигнала и окончательной оценке амплитуды после принятия решения о наличии сигнала.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство обнаружения и оценки амплитуды видеоимпульса, содержащее синхронизирующий генератор, устройство обнуления, последовательное соединение инерционного нелинейного звена типа интегрирующей электрической RC-цепи первого порядка с нелинейным конденсатором, схемы выбора максимума и порогового устройства, у которого второй вход соединен со вторым выходом синхронизирующего генератора, а выход подключен к первому выходу устройства, при этом входом устройства является вход инерционного нелинейного звена, а выход устройства обнуления с помощью шины обнуления подключен к нелинейному конденсатору, при этом синхроимпульс синхронизирующего генератора запускается от заднего фронта импульса обнуления, поступающего от устройства обнуления, согласно предложению введены подключенные к входу устройства параллельно соединенные по входам дополнительные инерционные нелинейные звенья, каждое из которых состоит из интегрирующей электрической RC-цепи первого порядка с соответствующим нелинейным конденсатором и выходы которых подключены к соответствующим дополнительным входам схемы выбора максимума, также введены инерционное нелинейное параметрическое звено типа интегрирующей электрической RC-цепи с нелинейным параметрическим конденсатором, последовательно соединенные схема выделения немонотонных участков, функциональный нелинейный безынерционный преобразователь, дифференцирующее звено, ограничитель нулевого уровня, интегрирующее устройство и ключ, а также устройство формирования адаптирующегося порога, вход которого соединен с выходом интегрирующего устройства, первый выход устройства формирования адаптирующегося порога подключен к управляющему входу нелинейного параметрического конденсатора инерционного нелинейного параметрического звена типа интегрирующей электрической RC-цепи с нелинейным параметрическим конденсатором, выход которого соединен с входом схемы выделения немонотонных участков, а второй выход устройства формирования адаптирующегося порога подключен к третьему входу порогового устройства, выход которого также соединен со вторым входом ключа, при этом в устройстве обнуления дополнительный выход соединен со вторым входом интегрирующего устройства, а через шину обнуления соответствующие выходы подключены к нелинейным конденсаторам инерционных нелинейных звеньев и к нелинейному параметрическому конденсатору инерционного нелинейного параметрического звена типа интегрирующей электрической RC-цепи с нелинейным параметрическим конденсатором.

Другим отличием изобретения является то, что выход инерционного нелинейного параметрического звена типа интегрирующей электрической RC-цепи с нелинейным параметрическим конденсатором соединен с входом схемы выделения немонотонных участков через дополнительно введенное вычитающее устройство, суммирующий вход которого соединен с входом устройства обнаружения и оценки амплитуды видеоимпульса.

На чертежах приведены структурные схемы предложенных устройств обнаружения и оценки амплитуды видеоимпульса, а также графики и временные диаграммы. На фиг.1 изображено устройство обнаружения, на фиг.2 приведено устройство обнаружения с вычитающим блоком. На фиг.3 приведен график вольт-фарадных характеристик нелинейных емкостей, причем для нелинейного параметрического конденсатора в ИНПЗ 1 параметры U₀₁ и U₀₂ являются переменными (варьируемыми), а для нелинейных конденсаторов инерционных нелинейных звеньев (ИНЗ) в многоканальном соединении инерционных нелинейных звеньев 14 - фиксированными, но для каждого ИНЗ - индивидуальными. Количество ИНЗ выбирается из априорного диапазона входной амплитуды. На фиг.4 изображены графики (временные диаграммы) напряжений на выходах соответствующих блоков, поясняющих функционирование устройства в динамическом режиме.

Устройство на фиг.1 содержит инерционное нелинейное параметрическое звено (ИНПЗ) 1 в составе постоянного сопротивления 2 и нелинейного параметрического конденсатора 3, пороговое устройство (ПУ) 4, синхронизирующий генератор (СГ) 5, устройство обнуления (УОБ) 6, последовательно соединенные схему выделения немонотонных участков (СВНУ) 7, функциональный нелинейный безынерционный преобразователь (ФНБП) 8, дифференцирующее устройство (ДУ) 9, ограничитель нулевого уровня (ОНУ) 10, интегрирующее устройство (ИУ) 11 и ключ 12. Имеется также устройство формирования адаптирующегося порога (УФАП) 13, последовательное многоканальное соединение инерционных нелинейных звеньев (ИНЗ) 14 в виде интегрирующих электрических RC-цепей с постоянными сопротивлениями и нелинейными конденсаторами каждый и схема выбора максимума 15. При этом УФАП 13 может быть выполнено как в аналоговом, так и в цифровом виде. Функционально УФАП 13 является передаточным и сглаживающим звеном, так как на его вход подается ступенчатое напряжение с выхода ИУ 11 и на первом его выходе формируется пропорциональное, также ступенчатое, но более гладкое, напряжение, которое управляет изменением значений (параметров) U₀₁ и U₀₂. На втором выходе УФАП 13 создается также пропорциональное входному, но в общем случае с другим коэффициентом пропорциональности и существенно более гладкое напряжение, величина которого в момент окончания импульса согласована с напряжениями соответствующих ИНЗ в блоке 14 так, что адаптирующееся пороговое напряжение со второго выхода УФАП 11 определяет точнее решающую функцию по критерию Неймана-Пирсона о наличии и отсутствии сигнала. Таким образом, с выхода ИУ 11 напряжение подстройки через УФАП 13 подается на управляющий вход нелинейного параметрического конденсатора 3, у существенно нелинейной вольт-фарадной характеристики емкости которого (фиг.3) имеются перестраиваемые параметры U₀₁ и U₀₂ - соответственно минимумы и максимумы нелинейной характеристики, причем U₀₂=(1,2÷1,5)U₀₁. Пороговое устройство 4 реализовано как синхронизируемое устройство сравнения (компаратор), на первые два входа которого подаются сравниваемые сигналы, что и использовано в предлагаемом изобретении, а также вход синхронизации, с помощью которого стробируется пороговое устройство в момент окончания входного импульса.

Устройство на фиг.2 дополнительно содержит вычитающее устройство 16, у которого суммирующий вход соединен с входом устройства обнаружения, вычитающий вход подключен к выходу ИНПЗ 1, а выход соединен с входом СВНУ 7.

Устройство работает следующим образом:

Работа устройства синхронизируется синхрогенератором 5, который вырабатывает синхроимпульс (фиг.4, кривая 1), длительность которого равна длительности обнаруживаемого импульса τ_и и времени наблюдения T. Синхроимпульс запускается от заднего фронта импульса обнуления (фиг.4, кривая 2), которым устанавливаются нулевые начальные условия нелинейного параметрического конденсатора 3 в ИНПЗ 1, нелинейных конденсаторов в ИНЗ многоканальной схемы 14, а также интегрирующего устройства 11. При этом УФАП 13 устанавливает первоначальные значения параметров U_01п и U_02п при U_01п≅0,1A₀max, (A_{0 max} - максимально возможное значение амплитуды импульса).

На вход устройства обнаружения в аддитивных шумах поступает видеоимпульс, имеющий случайную форму, усредненная на интервале [0,Т] амплитуда которого равна А_0i (i - наблюдаемая реализация (выборка)) (фиг.3, кривая 1).

Этот входной сигнал поступает на входы как интегрирующей нелинейной параметрической электрической RC-цепи 1-го порядка в ИНПЗ 1, так и нелинейных интегрирующих электрических RC-цепей 1-го порядка (или их математических аналогов) в соответствующих ИНЗ многоканального соединения 14. Вольт-фарадные характеристики конденсаторов в ИНЗ многоканального соединения 14 имеют нелинейный вид (фиг.3). При этом параметры U₀₁ и U₀₂ выбираются для каждого канала индивидуально так, чтобы при настроенных каналах и их конечном числе перекрыть требуемый диапазон амплитуд видеоимпульсов (А_min÷A_max) c приемлемой эффективностью фильтрации шумов согласно методике [3]. Схема выбора максимума 15 в устройстве выполняет функцию «ИЛИ» и ее выходное напряжение поступает на первый вход порогового устройства 4. Вследствие нелинейной характеристики по фиг.3 на выходах ИНЗ в моменты окончания импульсов t=τ_и=Т напряжение имеет небольшую дисперсию [3], чем и обусловлена большая помехоустойчивость по сравнению с многоканальными схемами аналогов. Однако любая физически реализуемая многоканальная схема, в том числе и в предлагаемом изобретении, дает лишь дискретную оценку неизвестного параметра. Для снижения погрешности оценки в изобретении предлагается адаптивный порог для ПУ 4, по установившемуся значению которого и выполняется оценка неизвестной амплитуды видеоимпульса.

Для этого на выходе инерционного нелинейного параметрического звена типа интегрирующей электрической RC-цепи с нелинейным параметрическим конденсатором формируется сглаженное напряжение (фиг.4, кривая 4), у которого в моменты времени, например, для точек t₁, t₂, t₃, возникают немонотонные участки. Эти участки обусловлены приближением напряжения на конденсаторе к соответствующим текущим значениям параметра U₀₁, и для момента t₁ это первоначальное значение U_01п. В окрестностях этих точек инерционное нелинейное параметрическое звено типа интегрирующей электрической RC-цепи с нелинейным параметрическим конденсатором вырождается в безынерционную так, что напряжение на выходе с большей скоростью стремится к входному напряжению. Такие немонотонные участки выделяются СВНУ (фиг.4, кривая 5), который представляет собой неминимально-фазовый фильтр верхних частот [4] на основе вычитающего устройства, не вычитающий вход которого соединен с входом СВНУ через линию задержки (ЛЗ), а вычитающий вход - через минимально-фазовый ФНЧ с линейной ФЧХ, причем величина задержки в ЛЗ равна времени группового запаздывания в ФНЧ. Для обострения фронтов немонотонных участков, т.е. в конечном счете для формирования запускающего импульса для интегрирующего устройства 11 используется нелинейное функциональное преобразование, пропорциональное кубичной степени, (фиг.4, кривая 6). Затем это напряжение дифференцируется (фиг. 4, кривая 7), ограничивается по нулевому уровню (фиг.4, кривая 8) и ограниченным напряжением запускается интегратор 11, напряжение на выходе которого (фиг.4, кривая 9) управляет устройством 13 формирования адаптирующегося порога. Этот процесс автоматически продолжается, пока параметр U₀₁ не установится вблизи величины А_0i.

Со второго выхода УФАП 13 подается напряжение на пороговое устройство 4, при этом автоматически устанавливается порог, обеспечивающий для различных энергий обнаруживаемого сигнала при одинаковой длительности приблизительно одинаковую вероятность правильного обнаружения.

Таким образом, вследствие отмеченных преимуществ характеристики обнаружения заявляемого когерентного обнаружителя будут близки к оптимальным, определяемым известным образом, как, например, в [1].

При условии принятия решения об обнаружении видеоимпульса (высокий уровень на выходе ПУ 4) открывается ключ 12 и напряжение интегрирующего устройства 11 в момент окончания импульса поступает на второй выход как оценка амплитуды видеоимпульса.

В устройстве обнаружения с вычитающим блоком (фиг.2) при введении вычитающего устройства 16 процессы происходят практически аналогично, но более устойчиво, т.к. это устройство более помехоустойчивое за счет компенсации шумов как низкочастотного диапазона, так и высокочастотных шумов. Компенсация высокочастотных шумов происходит, когда нелинейная емкость стремиться к малым значениям. При этом частично шумы, находящиеся в средней части диапазона, отфильтровываются СВНУ 7 как фильтром верхних частот (ФВЧ), так как СВНЧ 7 в качестве ФВЧ выделяет быстродействующие процессы, скорость выделения которых практически не зависит от шумов, а является, в основном, свойством нелинейной структуры ИНПЗ 1.

Таким образом, в данном когерентном устройстве обнаружения непараметрически заданного видеоимпульса, т.е. видеоимпульса с неизвестной формой, происходит энергетическое адаптивное, а именно одноканальное, обнаружение, т.е. обнаружение видеоимпульса с также неизвестным энергетическим параметром, причем характеристически обнаружения являются близкими к оптимальным вследствие мгновенной адаптации переменной емкостью (т.е. как настройкой на сигнал, так и отстройкой от помех), а адаптация на усредненную среднеквадратическую амплитуду - при использовании нелинейных нормирующих преобразователей и внутренних, нелинейных свойств системы.

Промышленная применимость

Устройство обнаружения и оценки амплитуды видеоимпульсов может быть применено в различных областях радиотехники как для создания помехоустойчивых и компактных современных радиосистем, использующих импульсные сигналы, например, в радиолокации, радиосвязи и т.п., а также в разнообразных системах управления и системах передачи телеметрической информации, действующих в условиях априорной неопределенности, т.е., в условиях действия собственных (внутренних) и внешних мощных помех.

Литература

1. Тихонов В.И. Оптимальный прием сигналов. - М.: Радио и связь, 1983.

2. Теория обнаружения сигналов. / П.С.Акимов, П.А.Бакут, В.А.Богданович и др.; под ред. П.А.Бакута. - М.: Радио и связь, 1984.

3. Неволин В.И. Нелинейная обработка сигналов в непараметрической смеси с шумами // Электросвязь. №10, 2002, с.38-42 - прототип.

4. Неволин В.И., Овчинников А.В. Многоканальный неминимально - фазовый полосовой фильтр с линейной фазовой характеристикой // Приборы и техника эксперимента, №3, 1991, с.84-85.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах радиосвязи, радиолокации. Достигаемый технический результат - повышение помехоустойчивости при обнаружении видеоимпульса с неизвестной амплитудой и оценке этого параметра. Устройство обнаружения и оценки амплитуды видеоимпульса содержит инерционное нелинейное параметрическое звено типа интегрирующей электрической RC-цепи с нелинейным параметрическим конденсатором, пороговое устройство, синхронизирующий генератор, устройство обнуления, схему выделения немонотонных участков, функциональный нелинейный безынерционный преобразователь, дифференцирующее звено, ограничитель нулевого уровня, интегрирующее устройство, ключ, устройство формирования адаптирующегося порога, инерционное нелинейное звено типа интегрирующей электрической RC-цепи первого порядка с нелинейным конденсатором, схему выделения максимума, дополнительные инерционные нелинейные звенья, вычитающее устройство. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство обнаружения и оценки амплитуды видеоимпульса, содержащее синхронизирующий генератор, устройство обнуления, последовательное соединение инерционного нелинейного звена типа интегрирующей электрической RC-цепи первого порядка с нелинейным конденсатором, схемы выбора максимума и порогового устройства, у которого второй вход соединен со вторым выходом синхронизирующего генератора, а выход подключен к первому выходу устройства, при этом входом устройства является вход упомянутого инерционного нелинейного звена, а выход устройства обнуления с помощью шины обнуления подключен к нелинейному конденсатору, при этом синхроимпульс синхронизирующего генератора запускается от заднего фронта импульса обнуления, поступающего от устройства обнуления, отличающееся тем, что в него введены подключенные к входу устройства параллельно соединенные по входам дополнительные инерционные нелинейные звенья, каждое из которых состоит из интегрирующей электрической RC-цепи первого порядка с соответствующим нелинейным конденсатором, и выходы которых подключены к соответствующим дополнительным входам схемы выбора максимума, также введены инерционное нелинейное параметрическое звено типа интегрирующей электрической RC-цепи с нелинейным параметрическим конденсатором, последовательно соединенные схема выделения немонотонных участков, функциональный нелинейный безынерционный преобразователь, дифференцирующее звено, ограничитель нулевого уровня, интегрирующее устройство и ключ, а также устройство формирования адаптирующегося порога, вход которого соединен с выходом интегрирующего устройства, первый выход устройства формирования адаптирующегося порога подключен к управляющему входу нелинейного параметрического конденсатора инерционного нелинейного параметрического звена типа интегрирующей электрической RC-цепи с нелинейным параметрическим конденсатором, а второй выход устройства формирования адаптирующегося порога подключен к третьему входу порогового устройства, выход которого соединен с вторым входом ключа, при этом дополнительный выход устройства обнуления соединен со вторым входом интегрирующего устройства, соответствующие выходы устройства обнуления через шину обнуления подключены к нелинейным конденсаторам дополнительных инерционных нелинейных звеньев типа интегрирующей электрической RC-цепи первого порядка с нелинейным конденсатором и нелинейному параметрическому конденсатору инерционного нелинейного параметрического звена типа интегрирующей электрической RC-цепи с нелинейным параметрическим конденсатором, выход которого соединен с входом схемы выделения немонотонных участков.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что выход инерционного нелинейного параметрического звена типа интегрирующей электрической RC-цепи с нелинейным параметрическим конденсатором соединен с входом схемы выделения немонотонных участков через дополнительно введенное вычитающее устройство, суммирующий вход которого соединен с входом устройства обнаружения и оценки амплитуды видеоимпульса.