ОБНАРУЖИТЕЛЬ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ СИГНАЛОВ Российский патент 2011 года по МПК G01S13/04 

Предлагаемое изобретение относится к области радиолокации и может использоваться в обзорных РЛС при работе в условиях нестационарных помех.

С целью оптимального обнаружения сигналов, отраженных от цели, необходимо стабилизировать число ложных тревог. Только имея порог обнаружения сигналов с приемлемым постоянным по дистанции уровнем ложных тревог, можно добиться оптимального обнаружения сигналов.

Методы, используемые для нейтрализации изменений уровня шума, называются стабилизацией уровня ложных тревог (СУЛТ). В основе конструкции таких устройств СУЛТ лежит оценка неизвестных параметров шума по независимым выборкам шума во временной области вокруг текущего элемента дальности. Длина задержки между соседними выборками шума приблизительно равна (сжатой) длительности импульса радиолокатора. Полученная оценка используется для нормализации выхода приемника с целью достижения постоянного уровня ложных тревог.

Известно цифровое автоматическое устройство для выделения радиолокационных данных (Хаббарт Дж. «Зарубежная радиоэлектроника», №7, 1964) с реализацией алгоритма «большее из двух». Это устройство содержит линию задержки с отводами, состоящую из двух половин, между которыми имеется центральный вывод, с которого снимается выбираемый сигнал; два интегратора для формирования двух оценок уровня мощности помехи, из которых схемой выбора «большее из двух» выбирается максимальная оценка, поступающая на второй вход разностного усилителя, на первый вход которого подается центральный отсчет. Выход разностного усилителя является выходом устройства.

Недостатком этого устройства является недостаточная стабилизация числа ложных тревог в условиях наличия помех, по протяженности сравнимых с интервалом усреднения.

Полный анализ проблем стабилизации уровня ложных тревог в обзорных радиолокаторах дан в сообщении Hansen V.G. "Constant False Alorm Rate Processing in Search Raadars". IEEE International Conferens, Arlington, 1975. Кроме прочих обнаружителей Hansen V.G. рассматривает обнаружитель, использующий схему СУЛТ, реализующую выбор «большее из двух», и приводит его характеристики. Такое устройство является наиболее близким и выбрано в качестве прототипа.

Это устройство (Фиг.1) анализирует массив поступающих на вход эхо-сигналов, для чего содержит линию задержки из двух последовательно включенных блоков задержки на интервал усреднения 1, которые вместе образуют участок анализа. N отводы блоков задержки на интервал усреднения 1 соединены с N входами соответствующих измерителей среднего значения 2, выходы которых соединены с соответствующими входами 1, 2 блока выбора «большее из двух» 3, выход которого соединен с входом блока усиления 4, в котором производится умножение среднего значения на коэффициент, определяющий требуемый уровень ложной тревоги; блок сравнения 5 первым входом подключен к выходу первого блока 1, на котором присутствует центральный отсчет, а вторым входом - к выходу блока 4. Выход блока 5 является выходом обнаружителя.

Обнаружитель работает следующим образом. На вход первого блока задержки на интервал усреднения 1 поступают входные эхо-сигналы, которые содержат суперпозицию шумов приемника, искусственно созданных противником помех и отражений от метеообразований и атмосферных аномалий. Каждый блок задержки на интервал усреднения заполняют эхо-сигналы, соответствующие дискретным элементам дальности (отсчеты). Оценка уровня шума производится в измерителях среднего значения 2 по сумме этих отсчетов, которые присутствуют на отводах блоков 1. В блоке 3 производится выбор большей из двух поступивших оценок, которая затем поступает на блок усиления 4. В этом блоке 4 производится умножение оценки на коэффициент, определяющий требуемый уровень ложной тревоги. Выходной сигнал блока 4, являющийся порогом обнаружения, поступает на блок сравнения 5, на другой вход которого поступает центральный отсчет с выхода первого блока 1. В случае превышения порога на выходе блока 5 появляется сигнал или ложная тревога.

Обнаружитель радиолокационных сигналов, приведенный на Фиг.1, обеспечивает стабильность вероятности ложной тревоги при наличии помех по протяженности больше участка анализа. Однако, при наличии помех, сравнимых по протяженности с интервалом усреднения, число ложных тревог резко возрастает. Это объясняется тем, что когда помеха, сравнимая по протяженности с интервалом усреднения, перемещается и занимает центральное положение между двумя интервалами усреднения, в каждом из них значения отсчетов, поступающих с выводов блоков задержки на измерители среднего значения, образуют как бы ступеньку, в центре - большие отсчеты от помехи, а по краям - маленькие, от шумов приемника. Такое положение приводит к занижению обеих оценок и в итоге к большому числу ложных тревог. Если уменьшить участок анализа, состоящий из двух интервалов усреднения по N отсчетов каждый, то начнут сказываться потери в обнаружении сигналов, которые при участке анализа в 128 отсчетов составляют ~0,5дБ, при 64 - ~1дБ, при 30 - ~2дБ, при 16 - ~3,5дБ, при 8 - ~8дБ.

Таким образом, техническим результатом (решаемой задачей) является улучшение стабилизации числа ложных тревог при наличии помех, сравнимых по протяженности с интервалом усреднения, которые представляют из себя недостаточно подавленные устройством СДЦ пассивные помехи, отражения от атмосферных неоднородностей в плохих для сопровождения целей метеоусловиях, а также от активных нестационарных помех.

Технический результат (решаемая задача) достигается тем, что в известное устройство, содержащее два блока задержки на интервал усреднения, имеющее N отводов, вход первого из которых является входом устройства, N отводы первого блока задержки соединены с N входами измерителя среднего значения, выход которого подключен к первому входу блока выбора «большее из двух», блок усиления, выход которого подключен к второму входу блока сравнения, первый вход которого подключен к выходу первого блока задержки на интервал усреднения, на котором присутствует центральный отсчет; выход блока сравнения является выходом обнаружителя, согласно изобретению введены блок вычитания и дополнительные со 2-го по N блоков выбора «большее из двух», подключенные вторыми входами соответственно с 2-го по N отводам второго блока задержки, к 1-му отводу подключен второй вход первого блока выбора «большее из двух», причем первый вход первого блока выбора «большее из двух» дополнительно подключен к входу второго блока задержки, а выход - к первому входу второго блока выбора «большее из двух», выход второго блока выбора «большее из двух» подключен к первому входу третьего блока выбора «большее из двух», выход третьего - к первому входу четвертого и так далее, выход (N-1)-го блока выбора «большее из двух» подключен ко входу N-го блока выбора «большее из двух», выход М-го блока выбора «большее из двух» подключен к первому входу блока вычитания, второй вход которого подключен к выходу первого блока задержки на интервал усреднения, являющемуся выходом центрального отсчета, а также подключен к (N+1)-му входу блока измерения среднего значения, выход блока вычитания соединен с входом усилителя.

Технический результат достигается использованием результатов оценки мощности эхо-сигналов не только слева и справа от центрального отсчета, но используются и промежуточные оценки, которые получаются путем задержки во втором блоке задержки 1 оценки, полученной в единственном измерителе среднего значения 2. Второй блок задержки на интервал усреднения 1, также как и первый, имеет N отводов, на которых присутствуют оценки, сдвинутые на один элемент дальности. Причем на последнем N-м отводе присутствует оценка, по значению соответствующая оценке, имеющейся в прототипе на выходе второго блока измерителя среднего значения. В стационарных шумах такой обнаружитель по характеристикам обнаружения и стабилизации числа ложных тревог не отличается от прототипа, однако при помехах, которые по длительности меньше всего участка анализа, заявляемое устройство позволяет хорошо адаптироваться к уровню и протяженности помехи, выбрав, используя N блоков выбора «большее из двух», оптимальный участок для оценки мощности помехи в окрестностях цели, что позволяет не допустить значительного увеличения числа ложных тревог.

Заявляемое техническое решение иллюстрируется чертежами.

На Фиг.1 изображена схема обнаружителя радиолокационных сигналов-прототипа.

На Фиг.2 изображена заявляемая схема обнаружителя радиолокационных сигналов.

На Фиг 3 приводятся графики зависимости вероятности ложной тревоги от уровня помехи протяженностью в 16 отсчетов.

На Фиг.4 приводятся графики зависимости вероятности ложной тревоги от протяженности помехи с уровнем 30 дБ над уровнем шума.

Предлагаемое устройство (Фиг.2) содержит два блока задержки на интервал усреднения 1 с N отводами, измеритель среднего значения 2, N блоков выбора «большее из двух» 3, блок усиления 4, блок сравнения 5, блок вычитания 6. Все N отводов и выход первого блока задержки на интервал усреднения 1 соединены с N+1 входами измерителя среднего значения 2, выход которого соединен с первым входом первого блока выбора «большее из двух» 3, N отводы второго блока задержки соединены соответственно со вторыми входами N блоков выбора «большее из двух», выход первого из которых соединен с первым входом второго блока выбора «большее из двух» 3, выход второго блока выбора «большее из двух» подключен к первому входу третьего блока выбора «большее из двух», выход третьего - к первому входу четвертого и так далее, выход (N-1)-го блока выбора «большее из двух» 3 соединен с первым входом N-го блока выбора «большее из двух» 3. Выход последнего N-го блока выбора «большее из двух» 3 соединен с первым входом блока вычитания 6, на второй вход которого поступает с выхода первого блока задержки 1 центральный отсчет, значение которого вычитается из итоговой оценки. Выход блока вычитания 6 соединен с входом блока усиления 4, в котором производится умножение оценки на коэффициент, определяющий требуемый уровень ложной тревоги.

Блок задержки на интервал усреднения выполнен, если входной сигнал аналоговый, то на линии задержки с отводами, а если входной сигнал многоразрядный цифровой, то на сдвигающих регистрах с тактовой частотой, период которой равен элементу дальности. Измеритель среднего значения - это сумматор. Блок выбора «большее из двух» выполнен, если сигнал аналоговый, то на диодах с общим минусом, а если сигнал многоразрядный цифровой, то для выбора большей оценки уровня мощности помехи используется схема сравнения, выходной сигнал которой управляет мультиплексором.

Устройство работает следующим образом: на вход первого блока задержки на интервал усреднения 1 поступают входные эхо-сигналы, которые содержат суперпозицию шумов приемника, искусственно созданных противником помех и отражений от метеообразований и атмосферных аномалий. Блок задержки на интервал усреднения 1 заполняют эхо-сигналы, соответствующие N дискретным элементам дальности (отсчеты). Оценка уровня шума, начальная, производится в измерителе 2 по сумме этих отсчетов, которые присутствуют на N отводах блока 1, к ним также суммируется центральный отсчет, присутствующий на выходе первого блока 1. Эта оценка поступает на вход второго блока задержки на интервал усреднения 1, и на N отводах его присутствуют оценки уровня шума, сдвинутые каждая от соседнего на один элемент дальности. На первом отводе второго блока задержки 1 присутствует оценка, сдвинутая относительно начальной на один элемент дальности, на втором - на два, на третьем - на три и так далее, на N-м - на N. В первом блоке выбора «большее из двух» 3 производится выбор большей из двух оценок, сравнивая начальную оценку и оценку с первого отвода второго блока задержки, во втором блоке выбора «большее из двух» 3 производится выбор большей из двух оценок, сравнивая выходную оценку первого блока выбора «большее из двух» 3 и оценку с второго отвода второго блока задержки 1, и так далее. В N-м блоке выбора «большее из двух» 3 производится выбор большей из двух оценок, сравнивая выходную оценку N-1-го блока выбора «большее из двух» 3 и оценку с N-го отвода второго блока задержки 1. В итоге всех этих сравнений и отбора каждый раз большей из двух на выходе N-го блока выбора «большее из двух» 3 оказывается максимальная оценка уровня шума из N отсчетов, окружающих центральный отсчет, включающая и значение этого центрального отсчета. В блоке вычитания 6 из оценки с поступающей с выхода N-го блока выбора «большее из двух» вычитается значение центрального отсчета, и эта оценка уровня шума, сделанная в окрестностях центрального отсчета, поступает на блок усиления 4. В этом блоке 4 производится умножение оценки на коэффициент, определяющий требуемый уровень ложной тревоги. Выходной сигнал блока 4, порог обнаружения, поступает на блок сравнения 5, на другой вход которого поступает центральный отсчет с выхода блока 1. В случае превышения порога на выходе блока 5 появляется сигнал или ложная тревога.

В прототипе для стабилизации числа ложных тревог используются две оценки: ближе центрального отсчета и дальше. Из них выбирается большая. Такая схема хорошо работает по фронту помехи. При работе с помехами конечной протяженности, особенно с помехами по протяженности меньше участков анализа, стабилизация числа ложных тревог плохая.

В заявляемом изобретении технический результат - улучшение стабилизации числа ложных тревог достигается адаптивным выбором участка усреднения из N в окрестностях предполагаемой цели, используя для анализа участок из 2N-отсчетов, иными словами, из N оценок, смещенных каждая относительно соседней на один элемент дальности. При наличии помехи на участке в окрестностях цели участок усреднения из N-отсчетов выбирается точно под этой помехой.

Проводилось моделирование работы устройств с порогом обнаружения, имеющим вероятность ложных тревог в стационарных шумах ~1,6*10^-7.

На Фиг.3 приводятся графики зависимости вероятности ложной тревоги от уровня помехи в дБ протяженностью 16 независимых отсчетов, полученные при моделировании работы прототипа (график 1) и предлагаемого устройства (график 2). Моделированные устройства имели два участка усреднения по 16 отсчетов до центрального отсчета и 16 отсчетов после центрального отсчета.

Как видно из графиков, если в предлагаемом устройстве вероятность ложной тревоги при любых помехах не ухудшается больше чем на порядок, то в прототипе ухудшение составляет при помехах, начиная с уровня 25-30 дБ, три порядка. Предлагаемое устройство по таким помехам дает на два порядка лучшую стабильность уровня ложных тревог. Разрыв на порядок в результатах стабилизации между двумя этими устройствами начинается уже с помех с уровнем 10 дБ.

На Фиг.4 приводятся графики зависимости вероятности ложной тревоги от протяженности помехи с уровнем в 30 дБ относительно стационарных шумов на том же пороге обнаружения, полученные при моделировании работы прототипа (график 1) и предлагаемого устройства (график 2).

Из графиков видно, что, имея по протяженной помехе в 28-32 отсчетов одинаково хорошие результаты по стабилизации числа ложных тревог, по помехам в диапазоне 12-20 дискрет результаты стабилизации числа ложных тревог отличаются, и лучшие результаты, на 1-2 порядка по сравнению с прототипом, дает предлагаемое устройство. При очень малых по протяженности помехах, в 8 дискрет и меньше, стабилизация у обоих устройств значительно ухудшается. Но такая протяженность помехи мало отличается от протяженности сигналов от цели, которые нужно обнаруживать.

Таким образом, использование изобретения позволит без дополнительных потерь стабилизировать число ложных тревог не только от протяженных помех, но и от помех более короткой протяженности, которые возможны при определенных погодных условиях от метеообразований и атмосферных неоднородностей, от недостаточно подавленных пассивных помех и активных импульсных нестационарных помех.

Чтобы снизить потери в стационарных условиях, возможно увеличение участка, на котором производится оценка мощности шума до 128 отсчетов и больше. Для этого вместе с центральным участком анализа, содержащем два блока задержки на интервал усреднения, измеритель среднего значения и N блоков выбора «большее из двух», можно использовать еще соседние участки анализа, оценки мощности шума на которых, если они войдут в доверительный интервал, определенный по оценке на центральном участке, можно прибавить к этой оценке, а результат нормировать на количество оценок. При появлении помех оценки этих соседних участков будут выходить из доверительного интервала, а при наличии помех только на центральном участке анализа использоваться будет только центральный участок.

Предлагаемое изобретение относится к области радиолокации и может использоваться в обзорных РЛС при работе в условиях нестационарных помех. Достигаемым техническим результатом является улучшение стабилизации числа ложных тревог при наличии помех, которые представляют из себя недостаточно подавленные устройством СДЦ пассивные помехи, отражения от атмосферных неоднородностей в плохих для сопровождения целей метеоусловиях, а также от активных нестационарных помех. Технический результат достигается использованием результатов оценки мощности эхо-сигналов не только слева и справа от центрального отсчета, но использованием и промежуточных оценок, которые получаются путем задержки во втором блоке задержки оценки, полученной в измерителе среднего значения, предназначенного для оценки уровня шума. Второй блок задержки также как и первый имеет N отводов, на которых присутствуют соответствующие оценки, сдвинутые на один элемент дальности. В стационарных шумах заявленный обнаружитель позволяет адаптироваться к уровню и протяженности помехи, выбрав, используя N блоков выбора большей из двух оценок уровня шума, оптимальный участок для оценки мощности помехи в окрестностях цели, что позволяет не допустить значительного увеличения числа ложных тревог. 4 ил.

Обнаружитель радиолокационных сигналов, содержащий два блока задержки на интервал усреднения с N отводами, где N количество элементов дальности, вход первого из которых является входом устройства, а N отводов первого блока задержки соединены соответственно с N входами измерителя среднего значения, предназначенного для оценки уровня шума по сумме N отсчетов, выход которого соединен с первым входом блока выбора большей из двух поступивших оценок уровня шума, блок усиления, выход которого подключен к второму входу блока сравнения, первый вход которого соединен с выходом первого блока задержки на интервал усреднения, выход блока сравнения является выходом устройства, отличающийся тем, что введены блок вычитания и дополнительные с второго по N блоков выбора большей из двух поступивших оценок уровня шума, подключенные вторыми входами соответственно с второго по N отводам второго блока задержки, к первому отводу подключен второй вход первого блока выбора большей из двух оценок, причем первый вход первого блока выбора большей из двух оценок дополнительно подключен к входу второго блока задержки, а выход - к первому входу второго блока выбора большей из двух оценок, выход второго блока выбора большей из двух оценок подключен к первому входу третьего блока выбора большей из двух оценок, выход третьего - к первому входу четвертого и так далее, выход (N-1)-ого блока выбора большей из двух оценок подключен к входу N-го блока выбора большей из двух оценок, выход N-го блока выбора большей из двух оценок подключен к первому входу блока вычитания, второй вход которого подключен к выходу первого блока задержки на интервал усреднения, являющимся выходом центрального отсчета, а также подключен к (N+1)-му входу измерителя среднего значения, выход блока вычитания соединен с входом блока усиления.