СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ С НЕИЗВЕСТНЫМИ ПАРАМЕТРАМИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2008 года по МПК G01S7/28 

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к пассивной локации сигналов, и может быть использовано в обнаружителях, при обработке сигналов с датчиков звуковых, электромагнитных колебаний или потоков частиц.

Известны корреляционные способы обнаружения сигналов, например [1], способ обнаружения линейно-частотно-модулированного сигнала с неизвестными параметрами, заключающийся в осуществлении аналого-цифрового преобразования сигнала, вычислении корреляционных сумм выборки сигнала и опорных линейно-частотно-модулированных сигналов, определении максимума модуля корреляционной суммы по узлам сетки, покрывающей область возможных значений частоты сигнала, сравнении значения максимума модуля корреляционной суммы с порогом.

Этот способ обработки требует априорного знания формы сигналов, не стабилизирует вероятность ложной тревоги и использует параллельную схему просмотра неизвестных параметров обнаруживаемого сигнала, что влечет за собой усложнение аппаратной реализации.

Наиболее близким к предлагаемому является способ обработки данных для обнаружения источника излучения [2], включающий преобразование сигнала с первого датчика в спектральное представление Фурье и преобразование сигнала со второго датчика в комплексно-сопряженное спектральное представление Фурье, получение взаимного спектра путем перемножения комплексных амплитуд гармоник полученных спектров первого и второго сигналов и последующее обратное преобразование Фурье (ПФ), при этом перед обратным ПФ производится расширение взаимного спектра путем выравнивания модулей амплитуд его гармоник на константу, оставляющую неизменной сумму квадратов амплитуд модулей всех гармоник.

Способ может быть реализован устройством [2], включающим в себя первый блок памяти для хранения выборки первого сигнала, второй блок памяти для хранения выборки второго сигнала, входы которых являются входами устройства, первый блок выполнения прямого ПФ, вход которого соединен с выходом первого блока памяти, а выход подключен к входу третьего блока памяти, второй блок выполнения прямого ПФ, вход которого соединен с выходом второго блока памяти, а выход подключен к входу четвертого блока памяти, блок вычисления взаимного спектра, два входа которого соединены с выходами третьего и четвертого блоков памяти, а выход подключен к входу пятого блока памяти, выход которого соединен с входом блока расширения спектра путем выравнивания модулей амплитуд гармоник, выход блока расширения спектра подключен к входу блока выполнения обратного ПФ, выход блока выполнения обратного ПФ соединен с входом шестого блока памяти, выход которого является выходом всего устройства.

Данный способ обработки также не стабилизирует вероятность ложной тревоги.

Технической задачей является создание такого способа обнаружения импульсных сигналов с неизвестными параметрами, который малочувствительный к форме обнаруживаемых сигналов, имеющих импульсный характер, и стабилизирует вероятность ложной тревоги.

Технический результат достигается тем, что для обнаружения импульсных сигналов выполняется прямое ПФ входного сигнала, обратное ПФ, сравнение получаемого результата с порогом и вынесение соответствующего решения о наличии обнаруживаемого объекта, при этом, дополнительно, предлагается перед обратным ПФ вычислять квадрат модуля от спектрального представления входного сигнала, а после обратного ПФ производить возведение модуля получаемой автокорреляционной функции (АКФ) в z-ю степень и интегрирование с последующей нормировкой результата интегрирования к максимуму модуля АКФ в z-й степени.

Сопоставительных анализ с прототипом [2] показывает, что заявляемый способ отличается наличием новых операций: вычисление квадрата модуля, возведение модуля в z-ю степень, интегрирование, нормировка к максимуму модуля АКФ в z-й степени.

Сравнение заявляемого способа с другими известными решениями показывает, что вновь вводимые операции используются в различных способах и устройствах, например [3]. Однако при введении новых операций в указанной выше связи с остальными действиями, данные операции наряду с известными свойствами вызывают появление новых свойств: малая чувствительность к формам импульсных сигналов и стабилизация вероятности ложной тревоги.

Работоспособность заявляемого способа обусловлена следующими обстоятельствами. Во-первых, необходимые операции заявляемого способа могут быть отождествлены с операциями, производимыми стандартными устройствами аналоговой и цифровой обработки сигналов. Во-вторых, сам способ обнаружения имеет сходство с классической схемой энергетического обнаружителя [3]: фильтр-квадратор-интегратор, полностью исследованной и широко применяемой в различных радиотехнических устройствах. Вновь введенные операции не изменяют общие принципы обнаружения сигналов, а лишь улучшают ряд показателей обнаружителя, применительно к классам импульсных сигналов.

Способ может быть реализован устройством, структурная схема которого показана на чертеже.

Устройство состоит из фильтра нижних частот (ФНЧ) 1, аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 2, блока памяти 3, блока выполнения прямого ПФ 4, блока вычисления квадрата модуля 5, блока выполнения обратного ПФ 6, блока вычисления модуля 7, блока поиска максимума 8, первого и второго блоков возведения в z-ю степень 9 и 10, блока суммирования 11, блока деления 12, блока сравнения с порогом 13.

Вход ФНЧ 1 является входом устройства, выход ФНЧ 1 подключен к входу АЦП 2, выход которого подключен к входу блока памяти 3 для хранения выборки сигнала, выход блока памяти 3 соединен с входом блока выполнения прямого ПФ 4, выход блока выполнения прямого ПФ 4 подключен к входу блока вычисления квадрата модуля 5, выход которого соединен с входом блока выполнения обратного ПФ 6, выход блока выполнения обратного ПФ 6 соединен с входом блока вычисления модуля 7, выход блока вычисления модуля 7 соединен с входом блока поиска максимума 8, выход которого соединен с входом первого блока возведения в z-ю степень 9, выход блока вычисления модуля 7 также соединен с входом второго блока возведения в z-ю степень 10, выход которого подключен к входу блока суммирования 11, выход блока суммирования 11 подключен к первому входу блока деления 12, второй вход которого подключен к выходу первого блока возведения в z-ю степень 9, выход блока деления 12 соединен с первым входом блока сравнения с порогом 13, на второй вход которого подано значений порога h, a выход блока сравнения с порогом 13 является выходом всего устройства.

Устройство работает следующим образом. Входной континуальный сигнал y₀(t)=s₀(t)+ξ₀(t), 0≤t<Т, представляющий собой аддитивную смесь шума ξ₀ (t) и полезного сигнала s₀(t) с верхней частотой в спектре f_h поступает на вход ФНЧ 1 с характеристикой, согласованной с верхней частотой сигнала f_h, предназначенный для исключения наложения дискретных спектров после АЦП. С выхода ФНЧ 1 сигнал y(t)=s(t)+ξ(t) поступает на вход АЦП 2, преобразовывающего непрерывный сигнал в дискретный y(t)→y(kΔt) с частотой дискретизации f_d≥2f_h, где Δt=1/f_d - дискретный шаг по времени, k=0, 1,..., N-1, N=T/Δt - количество отсчетов. С выхода АЦП 2 отсчеты поступают на вход блока памяти 3, где накапливаются за время Т наблюдения. С выхода блока памяти 3 временные отсчеты сигнала y(kΔt) поступают на вход блока выполнения прямого ПФ 4:

, где n=-N/2, ..., -1, 0, 1, ..., N/2-1, Δf=1/T - дискретный шаг по частоте. С выхода блока выполнения прямого ПФ 4 комплексные спектральные отсчеты подаются на вход блока вычисления квадрата модуля 5, где от них берется модуль и возводится в квадрат, формируя спектральную плотность мощности g_S(nΔf)=|y_S(nΔf)|². С выхода блока вычисления квадрата модуля 5 сигнал g_S(nΔf) поступает на вход блока 6, где выполняется обратное ПФ: , формируя АКФ. С выхода блока выполнения обратного ПФ 6 отсчеты АКФ поступают на вход блока вычисления модуля 7. С выхода блока вычисления модуля 7 отсчеты модуля АКФ подаются на вход блока поиска максимума 8, где выполняется: , с выхода блока поиска максимума 8 число m подается на вход первого блока возведения в z-ю степень 9. С выхода блока вычисления модуля 7 отсчеты модуля АКФ также поступают на вход второго блока возведения в z-ю степень 10, где выполняется: p(kΔt)=|g(kΔt)|^z. Значение степени z выбирается исходя из предположительного класса обнаруживаемых сигналов и составляет, например, z=2, 4 для последовательности из четырех импульсов вида |sinx/x|. Данная операция обеспечивает большую чувствительность устройства к отклонениям значений АКФ от среднего уровня, что особенно важно при обнаружении сложных импульсных сигналов, так как всплески АКФ, вызванные обнаруживаемым сигналом, имеют значительно меньшую продолжительность, чем участки АКФ, соответствующие шумовым процессам. С выхода второго блока возведения в z-ю степень 10 сигнал p(kΔt) подается на вход блока суммирования 11: , где i-1 первых отсчетов отброшены как являющиеся достаточно значимыми и для смеси полезного сигнала и шума s(t)+ξ(t), и для шумового процесса ξ(t), что увеличивает динамический диапазон анализируемых значений w и обеспечивает защиту от помех. С выхода блока суммирования 11 число w подается на первый вход блока деления 12, на второй вход которого поступает число m^z с выхода блока возведения в z-ю степень 9. В блоке деления 12 выполняется операция: , обеспечивая независимость выходной статистики от мощности шума, что дает постоянство уровня ложной тревоги. С выхода блока деления 12 значение поступает на вход блока сравнения с порогом 13, где происходит сравнение значения с порогом h и выносится решение d=0 - полезный сигнал отсутствует, d=1 - полезный сигнал обнаружен:

Литература

1. Патент RU 2154837 C1, G01S 7/285, G01S 13/02, Способ обнаружения линейно-частотно-модулированного сигнала с неизвестными параметрами, опубликованный 20.08.2000.

2. Патент RU 2144209 C1, G06F 17/00, G01S 3/46, Способ Овчинникова обработки данных для обнаружения источника излучения, опубликованный 10.01.2000.

3. Поиск, обнаружение и измерение параметров сигналов в радионавигационных системах / Под ред. Ю.М.Казаринова. М., Сов. радио, 1975, 296 с.

Заявленное изобретение относится к пассивной локации сигналов и включает преобразование входного сигнала в спектральное представление Фурье, вычисление квадрата модуля от спектрального представления входного сигнала, обратное преобразование Фурье, возведение модуля получаемой автокорреляционной функции в z-ю степень и интегрирование с последующей нормировкой результата интегрирования к максимуму модуля автокорреляционной функции в z-й степени, сравнение получаемого результата с порогом и вынесение соответствующего решения о наличии обнаруживаемого объекта. Достигаемым техническим результатом является малая чувствительность к формам обнаруживаемых импульсных сигналов и стабилизация вероятности ложной тревоги. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ обнаружения импульсных сигналов с неизвестными параметрами, включающий прямое преобразование Фурье входного сигнала, обратное преобразование Фурье, сравнение получаемого результата с порогом и вынесение соответствующего решения о наличии обнаруживаемого объекта, отличающийся тем, что перед обратным преобразованием Фурье вычисляют квадрат модуля от спектрального представления входного сигнала, а после обратного преобразования Фурье и формирования автокорреляционной функции производят возведение модуля получаемой автокорреляционной функции в z-ю степень, при этом значение степени z выбирается исходя из предположительного класса обнаруживаемых сигналов с возможностью обеспечения чувствительности к отклонениям значения автокорреляционной функции от среднего значения, и интегрирование с последующей нормировкой результата интегрирования к максимуму модуля автокорреляционной функции в z-й степени.2. Устройство по п.1, содержащее фильтр нижних частот, вход которого является входом устройства, а выход подключен к входу аналого-цифрового преобразователя, выход которого подключен к входу блока памяти, выход блока памяти соединен с блоком выполнения прямого преобразования Фурье, блок выполнения обратного преобразования Фурье и формирования автокорреляционной функции, блок сравнения с порогом, отличающееся тем, что в устройство дополнительно введены блок вычисления квадрата модуля, блок вычисления модуля, блок поиска максимума, первый и второй блоки возведения в z-ю степень, при этом значение степени z выбирается исходя из предположительного класса обнаруживаемых сигналов с обеспечением чувствительности устройства к отклонениям значений автокорреляционной функции от среднего уровня, блок суммирования, блок деления, причем вход блока вычисления квадрата модуля подключен к выходу блока выполнения прямого преобразования Фурье, а выход соединен с входом блока выполнения обратного преобразования Фурье, вход блока вычисления модуля соединен с выходом блока выполнения обратного преобразования Фурье, вход блока поиска максимума подключен к выходу блока вычисления модуля, а выход соединен с входом первого блока возведения в z-ю степень, вход второго блока возведения в z-ю степень подключен к выходу блока вычисления модуля, а выход соединен с входом блока суммирования, выход блока суммирования подключен к первому входу блока деления, второй вход которого подключен к выходу первого блока возведения в z-ю степень, выход блока деления соединен с первым входом блока сравнения с порогом, на второй вход которого подано значение порога, а выход блока сравнения с порогом является выходом всего устройства.