Способ адаптивного отождествления спектральных компонент по принадлежности к сигналу одного источника радиоизлучения Российский патент 2019 года по МПК G01S5/04 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в многоканальных моноимпульсных обнаружителях-пеленгаторах систем радиомониторинга для решения задач отождествления спектральных компонент по принадлежности к сигналу одного источника радиоизлучения (ИРИ).

Известен способ обнаружения и определения двумерного пеленга и частоты источников радиоизлучения [Шевченко В.Н., Емельянов Г.С., Вертоградов Г.Г. Способ обнаружения и определения двумерного пеленга и частоты источников радиоизлучения. Патент РФ № 2190236, G01S 5/04], предполагающий когерентный прием сигналов, одновременно попадающих в текущую полосу приема, когерентный перенос на более низкую частоту, синхронное преобразование временных реализаций в цифровую форму и синхронную регистрацию принятых одночастотных и многочастотных сигналов для всех баз, образованных опорной и всеми входящими в N-элементную решетку антеннами, в полосе приема, во много раз превышающей ширину спектра одиночного сигнала передатчика, восстановление с использованием преобразования Фурье комплексных временных спектров синхронно зарегистрированных сигналов опорной и каждой n-й антенны, где n=1…N, предполагающий формирование из восстановленных комплексных временных спектров сигналов опорной и каждой n-й антенны взаимных спектральных плотностей и комплексных коэффициентов взаимной корреляции спектральной плотности на каждой частоте f принятых сигналов со спектральными плотностями на всех остальных частотах полосы приема. После чего вычисляют модуль данных комплексных коэффициентов взаимной корреляции и сравнивают его значение с фиксированным порогом корреляции. Сигналы с частотами, на которых превышен порог, объединяют в i-й сигнал и идентифицируют его как обнаруженный сигнал, принадлежащий одному передатчику с полосой частот δf_i,, образованной идентифицированными к данному сигналу спектральными компонентами.

Однако в данном способе имеются следующие недостатки.

1. Способ основан на использовании «опорной антенны», вследствие чего, как справедливо отмечено в [Радзиевский В.Г., Уфаев В.А. Первичная обработка сигналов в цифровых панорамных обнаружителях-пеленгаторах. – Радиотехника, 2003, № 7, с. 26-31], не учитывается, что взаимный спектр сигнала в каналах приема необходимо определять для всех возможных комбинаций пар антенн. В случае приема сигналов с помощью многоканального моноимпульсного обнаружителя-пеленгатора (ОП) указанное обстоятельство является существенным недостатком данного способа, неоправданно не использующим имеющиеся технические возможности радиоэлектронной аппаратуры ОП и снижающим показатели эффективности как решения задачи отождествления спектральных компонент по принадлежности к сигналу одного источника радиоизлучения, так и всей последующей цифровой обработки сигналов.

2. Способ предполагает по результатам идентификации выполнение процедуры линейного накопления идентифицированных по принадлежности в i-му сигналу спектральных компонент путем суммирования комплексных амплитуд спектральных отсчетов. Однако, в общем случае амплитуды и фазы суммируемых спектральных компонент различны по величине. Отличие амплитуд и соотношений фаз отсчетов обусловлено как априорно неизвестным распределением энергии принимаемого сигнала в частотной области, отличием номиналов частот отсчетов, а также случайным расположением на временной оси интервала взятия временной выборки в пределах интервала времени излучения сигнала. Вследствие этого при суммировании компонент соответствующие им векторы комплексных амплитуд не коллинеарны (ввиду различия фаз спектральных компонент), и в результате суммирования результирующее отношение сигнал/шум (ОСШ) уменьшается. Анализ предложенного в данном способе накопления показал, что даже при одинаковых фазах спектральных компонент при соотношении амплитуд накапливаемых спектральных компонент более 7,6 дБ, наблюдается уменьшение результирующего ОСШ. Это обусловлено тем, что линейное накопление спектральных отсчетов целесообразно в том случае, когда приращение амплитуды сигнальной составляющей при линейном накоплении компенсирует соответствующее увеличение дисперсии шума. Указанные недостатки существенным образом ограничивают область применения данного способа, а их наличие определяет нецелесообразность его использования в современных (перспективных) многоканальных системах радиомониторинга.

Известен способ идентификации спектральных компонент [Уфаев В.А., Разиньков С.Н., Чикин М.Г. Обнаружение и идентификация сигналов в панорамных фазометрических радиопеленгаторах //Антенны. 2008. № 3. С. 64-68.], заключающийся в приеме сигналов двухканальным приемником, который поочередно подключается к парам выходов антенной системы (АС), выполнение быстрого преобразования Фурье (БПФ) в каналах приема, формировании решающей статистики на основе вычисленных канальных и взаимных энергий спектральных компонент сигналов в каналах приема, инвариантной к структуре антенной системы и интенсивности аддитивного шума, что позволяет вычислить порог идентификации, обеспечивающий постоянную ложность тревоги, проверке выполнения решающего правила – сравнении решающей статистики с пороговым уровнем идентификации. В случае превышения порога принимается решение о том, что идентифицируемые спектральные компоненты принадлежат одному и тому же сигналу ИРИ.

Недостатки этого способа заключаются в следующем.

1 Реализация способа предполагает, что наблюдение сигналов осуществляется двухканальным приемником, который поочередно подключается к парам выходов АС. Однако, применительно к многоканальным моноимпульсным обнаружителям-пеленгаторам, имеющим радиоприемное устройство с числом каналов, равным числу антенн, использование указанного алгоритма коммутации каналов не является целесообразным с точки зрения быстродействия, так как приемник осуществляет синхронное чтение реализации всеми каналами. Кроме того, переход к не моноимпульсному приему с последовательной во времени коммутацией радиоприемных каналов ОП к элементам АС приводит не только к снижению точности и достоверности пеленгования ИРИ, но и к принципиальному ухудшению возможности ОП по приему сигналов ИРИ, работающих в режиме программной перестройки рабочей частоты (за счет конечного времени коммутации приемных трактов, соизмеримого со временем перестройки частоты). Указанные недостатки существенным образом ограничивают область применения указанного способа, а их наличие не позволяет использовать способ в современных (перспективных) многоканальных системах радиомониторинга.

2 Решающая статистика данного способа справедлива в предположении, когда приемные антенны являются идентичными и ненаправленными, а их диаграммы направленности имеют единичную амплитуду, независящую от направления прихода радиоволны ИРИ. В общем случае при наличии взаимных влияний в АС, а также в случае использования антенных элементов другого типа, решающая статистика способа становится несправедливой, что приводит к ухудшению показателей эффективности данного способа.

Известен способ идентификации спектральных компонент сигналов [Уфаев В.А. Способ идентификации радиоизлучений Патент РФ №2236021, G01S 5/04], включающий 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, определяют модули взаимных произведений амплитуд и усредняют их по совокупности комбинаций пар антенн и радиоизлучений, 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, 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. Решение о принадлежности излучений двум источникам принимают по превышению порога. В противном случае регистрируют один источник излучения.

Недостатки данного способа соответствуют приведенным выше недостаткам способа, представленного в [Уфаев В.А. Обнаружение и идентификация сигналов в панорамных фазометрических радиопеленгаторах // Антенны, 2008 г. № 5.], а именно

1 Реализация данного способа предполагает, что наблюдение сигналов осуществляется двухканальным приемником, который поочередно подключается к парам выходов АС, что приводит не только к снижению точности и достоверности пеленгования ИРИ по сравнению с моноимпульсным приемом, но и к принципиальному ухудшению возможности приема сигналов ИРИ, работающих в режиме программной перестройки рабочей частоты за счет конечного времени коммутации приемных трактов, соизмеримого со временем перестройки частоты.

2 Решающая статистика данного способа справедлива в предположении, когда приемные антенны являются идентичными и ненаправленными, а их диаграммы направленности имеют единичную амплитуду, что в случае использования антенных элементов другого типа приводит к ухудшению показателей эффективности данного способа.

Указанные недостатки существенным образом ограничивают область применения указанного способа, а их наличие не позволяет использовать способ в современных (перспективных) многоканальных системах радиомониторинга.

Кроме того, представленные в [Уфаев В.А. Обнаружение и идентификация сигналов в панорамных фазометрических радиопеленгаторах // Антенны, 2008 г. № 5.] и [Уфаев В.А. Способ идентификации радиоизлучений Патент РФ №2236021, G01S5/04] способы идентификации не предполагают выполнение процедуры накопления спектральных компонент в случае принятие решения об их принадлежности радиоизлучений одному и тому же ИРИ. Это не позволяет за счет накопления информации повысить эффективность последующей цифровой обработки, включающей процедуру пеленгования ИРИ.

Наиболее близким аналогом по технической сущности к предлагаемому является способ, представленный в [Радзиевский В.Г., Уфаев В.А. Первичная обработка сигналов в цифровых панорамных обнаружителях-пеленгаторах. – Радиотехника, 2003, № 7, с. 26-31], принятый за прототип.

Способ-прототип предполагает выполнение следующих операций.

1. Синхронный (когерентный) прием временных реализаций с выходов всех N (N>2) антенн АС в пространственных каналах обнаружителя-пеленгатора, одновременно попадающих в текущую полосу приема (анализа), когерентный перенос (гетеродинирование) на более низкую частоту, синхронное преобразование временных реализаций в цифровую форму, вычисление отсчетов преобразования Фурье оцифрованной реализации в каждом пространственном канале обнаружителя-пеленгатора.

2. По каждому из анализируемой пары спектральных отчетов преобразования Фурье временных реализаций выполняется вычисление действительных канальных и комплексных взаимных энергий , где n,m=1…N – индексы пространственных каналов; r=0,1 – индекс принадлежности к одному из пары анализируемых отсчетов.

3. Формирование для каждой пары спектральных отчетов параметров и по формулам

, (1)

, (2)

и вычисление решающей статистики идентификации ([Радзиевский В.Г., Уфаев В.А. Первичная обработка сигналов в цифровых панорамных обнаружителях-пеленгаторах. – Радиотехника, 2003, № 7, с. 26-31, формула 10]):

. (3)

4. По каждой паре спектральных отсчетов сравнение решающей статистики с пороговым уровнем идентификации, вычисляемым в соответствии с критерием Неймана-Пирсона и обеспечивающим требуемую постоянную вероятность ложной тревоги. В случае превышения порога – принятие решения о том, что данная пара спектральных отсчетов соответствует сигналу одного ИРИ.

В соответствии с приведенным описанием, способ-прототип имеет следующие недостатки:

1. В современных системах радиомониторинга с целью обеспечения возможности эффективной обработки сигналов ИРИ, работающих в режиме псевдослучайной программной перестройки рабочей частоты, в общем случае реализуется последовательный во времени прием нескольких временных реализаций (при фиксированной частотной настройке радиоприемного тракта обнаружителя-пеленгатора). Решающая статистика по формуле (3) способа-прототипа получена в предположении приема одной временной реализации. Выполнение независимой идентификации по спектральным отсчетам каждой принимаемой реализации обеспечивает снижение показателей эффективности идентификации по сравнению со случаем, когда в целях повышения отношения сигнал/шум выполняется накопление взаимных энергий по каждому спектральному отсчету.

2. Решающая статистика по формуле (3) способа-прототипа справедлива в предположении, когда антенны обнаружителя-пеленгатора являются идентичными и ненаправленными, а их диаграммы направленности имеют единичную амплитуду, независящую от направления прихода радиоволны ИРИ. В общем случае при наличии взаимных влияний в АС обнаружителя-пеленгатора, а также в случае использования антенных элементов другого типа, решающая статистика по формуле (3) становится несправедливой, что приводит к ухудшению показателей эффективности способа-прототипа.

3. Выражение (3) для решающей статистики способа идентификации не учитывает наличие межканальной корреляции спектральных отсчетов временных реализаций, обусловленных наличием в реальных условиях внешних помех.

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является повышение показателей эффективности адаптивного отождествления спектральных компонент по принадлежности к сигналу одного источника радиоизлучения.

Для решения поставленной задачи, в способе адаптивного отождествления спектральных компонент по принадлежности к сигналу одного источника радиоизлучения, включающем синхронный (когерентный) прием временных реализаций с выходов всех антенн АС в пространственных каналах обнаружителя-пеленгатора, одновременно попадающих в текущую полосу приема (анализа), когерентный перенос (гетеродинирование) на более низкую частоту, синхронное преобразование временных реализаций в цифровую форму, вычисление отсчетов преобразования Фурье каждой оцифрованной реализации в каждом пространственном канале обнаружителя-пеленгатора; по каждому из анализируемой пары спектральных отчетов преобразования Фурье временных реализаций вычисление действительных канальных и комплексных взаимных энергий; вычисление решающей статистики; по каждой паре спектральных отсчетов сравнение решающей статистики с пороговым уровнем идентификации, вычисляемым в соответствии с критерием Неймана-Пирсона и обеспечивающим требуемую постоянную вероятность ложной тревоги, в случае превышения порога – принятие решения о том, что данная пара спектральных отсчетов соответствует сигналу одного ИРИ, согласно изобретению, прием временных реализаций с выходов всех антенн АС в пространственных каналах обнаружителя - пеленгатора осуществляют многократно последовательно во времени; по каждому из анализируемой пары спектральных отчетов преобразования Фурье дополнительно по каждой из принятых временных реализаций выполняют вычисление действительных канальных и комплексных взаимных энергий; затем выполняют накопление для каждой пары спектральных отчетов по каждой из принятых временных реализаций канальных и взаимных энергий спектральных компонент путем суммирования их значений, вычисленных по каждой из принятых временных реализаций, и формирование нормированной матрицы взаимных энергий, равной произведению накопленной матрицы взаимных энергий и матрицы, обратной к матрице корреляции аддитивного шума; в качестве решающей статистики используют отношение следа от произведения нормированных матриц взаимных энергий отождествляемых спектральных компонент к произведению следов данных матриц.

Предлагаемый способ заключается в следующем.

Каждый отчет преобразования Фурье временных реализаций представляет собой комплексную амплитуду в элементарном частотном канале (ЭЧК), ширина полосы которого обратно пропорциональна длительности временной реализации. Совокупность спектральных отсчетов во всех N пространственных каналах обнаружителя-пеленгатора, принадлежащих одному и тому же ЭЧК, характеризует распределение падающей на АС радиоволны на частоте данного ЭЧК.

При отождествлении пары спектральных отсчетов необходимо использовать информацию о направлении прихода сигнала, соответствующего каждой компоненте. Данная информация содержится как в амплитуде, так и в фазе спектральных отсчетов. Физической основой решения задачи отождествления является не определение направления прихода сигналов, а определение взаимной угловой близости этих направлений. Учтем, что сигнальная составляющая каждого из спектральных отсчетов характеризует распределение амплитуды и фазы поля радиоволны ИРИ по раскрыву антенны ОП. Компоненты помеховой и шумовых составляющих в пространственно разнесенных пунктах приема имеют случайные амплитуды и фазы, не обусловленные падением некоторой радиоволны. Таким образом, важной особенностью задачи отождествления спектральных компонент по принадлежности к одному ИРИ является использование информации о «схожести» (взаимном соответствии) амплитудно-фазовых соотношений в пространственно многоканальной системе для спектральных компонент, соответствующих одному ИРИ.

Предлагаемый способ адаптивного отождествления спектральных компонент по принадлежности к сигналу одного источника радиоизлучения предполагает выполнение следующих процедур:

1. Многократный последовательный во времени синхронный (когерентный) прием временных реализаций с выходов всех антенн АС в пространственных каналах обнаружителя-пеленгатора, одновременно попадающих в текущую полосу приема (анализа), когерентный перенос (гетеродинирование) на более низкую частоту, синхронное преобразование временных реализаций в цифровую форму, вычисление отсчетов преобразования Фурье каждой оцифрованной реализации в каждом пространственном канале обнаружителя-пеленгатора.

2. По каждому из анализируемой пары спектральных отчетов преобразования Фурье (и по каждой из принятых временных реализаций) выполняется вычисление действительных канальных и комплексных взаимных энергий , где n,m=1…N – индексы пространственных каналов; r=0,1 – индекс принадлежности к одному из пары анализируемых отсчетов; k=1…К – порядковый номер принятой временной реализации.

3. Накопление для каждой пары спектральных отчетов по каждой из принятых временных реализаций канальных и взаимных энергий спектральных компонент путем суммирования их значений, вычисленных по каждой из принятых временных реализаций, и формирование нормированной матрицы взаимных энергий, равной произведению накопленной матрицы взаимных энергий и матрицы , обратной к матрице корреляции аддитивного шума.

4. Вычисление решающей статистики идентификации , представляющей собой отношение следа (суммы диагональных элементов) от произведения нормированных матриц взаимных энергий отождествляемых спектральных компонент к произведению следов данных матриц по следующей формуле:

, (4)

где ;

– матрица взаимных энергий сигналов, «накопленная» по серии из K>1 измерений для спектрального отсчета с индексом r, с элементами

, (5)

– комплексный отсчет (с порядковым номером nb =0…Nb-1) преобразования Фурье k-й временной реализации, принятой в -м пространственном канале обнаружителя-пеленгатора (совпадающий с номером антенны АС, подключенной ко входу канала);

1…N – порядковые номера пространственных каналов обнаружителя-пеленгатора;

k=1…К – порядковый номер принятой временной реализации;

– матрица коэффициентов межканальной корреляции аддитивного шума (при отсутствии корреляции шума матрица является диагональной единичной);

– оператор эрмитова сопряжения,

- обратная матрица,

– оператор следа матрицы.

5. По каждой паре спектральных отсчетов сравнение решающей статистики с пороговым уровнем отождествления (идентификации), вычисляемым в соответствии с критерием Неймана-Пирсона и обеспечивающим требуемую постоянную вероятность ложной тревоги. В случае превышения порога – принятие решения о том, что данная пара спектральных отсчетов соответствует сигналу одного ИРИ.

Элементы матрицы (5), находящиеся вне ее главной диагонали, характеризуют амплитудно-фазовое пространственное распределение электрического поля падающей радиоволны с плоским волновым фронтом, возмущенное аддитивным внутренним шумом радиоприемного устройства обнаружителя-пеленгатора и внешними эфирными помехами. Элементы главной диагонали данной матрицы характеризуют распределение энергии сигнальной, шумовой и помехой составляющих по пространственным каналам обнаружителя-пеленгатора.

Решающая статистика предлагаемого способа инвариантна к структуре и характеристикам направленности антенных элементов АС и не предполагает нахождения оценки направления прихода радиоволны до принятия решения о справедливой гипотезе.

Предлагаемый способ адаптивного отождествления спектральных компонент по принадлежности к сигналу одного источника радиоизлучения лишен перечисленных выше недостатков способа-прототипа, а именно:

1 Решающая статистика (4) предлагаемого способа, в отличие от способа-прототипа, получена в предположении приема нескольких временных реализаций и предполагает накопление по каждому спектральному отсчету канальных и взаимных спектральных энергий, что позволяет в случае моноимпульсного приема временных реализаций обеспечить повышение показателей эффективности отождествления за счет повышения выходного отношения сигнал/шум.

2 Решающая статистика (4) предлагаемого способа, в отличие от способа-прототипа, справедлива в случае АС с произвольной структурой и характеристиками направленности антенных элементов, и в частности, в используемом в способе-прототипе предположении, когда антенны обнаружителя-пеленгатора являются идентичными и ненаправленными. Это позволяет использовать предлагаемый способ в реальных условиях функционирования обнаружителей-пеленгаторов, когда имеют место взаимные влияния антенн друг на друга.

3 Выражение (4) для решающей статистики предлагаемого способа отождествления, в отличие от способа-прототипа, учитывает наличие межканальной корреляции спектральных отсчетов временных реализаций, обусловленных наличием в реальных условиях внешних помех, что позволяет при разработке обнаружителей-пеленгаторов проводить анализ достижимых показателей эффективности отождествления сигналов ИРИ в условиях насыщенной электромагнитной обстановки, а также учитывать наличие корреляции помех при отождествления спектральных компонент сигналов ИРИ в реальных условиях функционирования обнаружителей-пеленгаторов.

Технический результат заявляемого способа обеспечивается тем, что при формировании решающей статистики (4) используются соотношения амплитуд и фаз сигналов, принятых пространственно многоканальной радиоприёмной системой обнаружителя-пеленгатора, реализуется накопление канальных и взаимных энергий спектральных компонент по нескольким реализациям, а также учитывается наличие межканальной корреляции эфирных помех. Работоспособность и эффективность предлагаемого способа отождествления при замираниях сигнала в каналах ОП обусловлена тем, что при выводе решающей статистики (4) не накладывались ограничения на амплитудную зависимость характеристик направленности антенных элементов АС.

Блок-схема устройства для реализации предлагаемого способа представлена на фиг. 1, где обозначено:

1 - блок многократного многоканального приема временных реализаций и переноса на более низкую частоту;

2 - блок оцифровки временных реализаций;

3 - блок вычисления преобразования Фурье временных реализаций;

4 - блок вычисления канальных спектров;

5 - блок вычисления взаимных спектров;

6 - блок накопления матриц взаимных энергий;

7 - блок формирования нормированной матрицы взаимных энергий;

8 - блок вычисления суммы диагональных элементов произведения нормированных матриц;

9 - блок вычисления произведения суммы диагональных элементов нормированных матриц;

10 - блок вычисления решающей статистики;

11 - блок сравнения решающей статистики с порогом.

Устройство содержит последовательно соединенные блок многократного многоканального приема временных реализаций и переноса на более низкую частоту 1, блок оцифровки временных реализаций 2 и блок вычисления преобразования Фурье временных реализаций 3, выходы которого соединены соответственно с входами блока вычисления канальных спектров 4 и блока вычисления взаимных спектров 5. При этом выходы блоков вычисления канальных спектров 4 и вычисления взаимных спектров 5 соединены с соответствующими входами блока накопления матриц взаимных энергий 6, выход которого соединен с входом блока формирования нормированной матрицы взаимных энергий 7, выходы которого соединены с входами блока вычисления суммы диагональных элементов произведения нормированных матриц 8 и блока вычисления произведения суммы диагональных элементов нормированных матриц 9 соответственно. При этом выходы блоков вычисления суммы диагональных элементов произведения нормированных матриц 8 и вычисления произведения суммы диагональных элементов нормированных матриц 9 соединены с соответствующими входами блока вычисления решающей статистики 10, выход которого соединен с входом блока сравнения решающей статистики с порогом 11, выход которого является выходом всего устройства.

Устройство для реализации заявляемого способа работает следующим образом.

Блок 1 осуществляет многократный последовательный во времени синхронный (когерентный) прием временных реализаций с выходов всех антенн АС в пространственных каналах обнаружителя-пеленгатора и когерентный перенос на более низкую частоту. Затем блок 2 синхронно преобразует принятые временные реализации в цифровую форму. В блоке 3 для каждой оцифрованной реализации в каждом пространственном канале обнаружителя-пеленгатора происходит вычисление отсчетов преобразования Фурье:

,

где n=1…N – индексы пространственных каналов; r-номер спектрального отсчета;

k=1…К – порядковый номер принятой временной реализации.

По каждому из анализируемой пары спектральных отчетов преобразования Фурье с помощью блока 4 выполняется вычисление действительных канальных

и параллельно с этим в блоке 5 вычисление комплексных взаимных энергий

,

где n,m=1…N – индексы пространственных каналов;

r=0,1 – индекс принадлежности к одному из пары анализируемых отсчетов;

k=1…К – порядковый номер принятой временной реализации.

По результатам вычисления блоков 4 и 5 в блоке 6 происходит накопление для каждой пары спектральных отчетов по каждой из принятых временных реализаций канальных и взаимных энергий спектральных компонент путем суммирования их значений, вычисленных по каждой из принятых временных реализаций

.

В блоке 7 формируется нормированная матрица взаимных энергий, равной произведению

,

где - накопленной матрицы взаимных энергий;

- матрица, обратной к матрице корреляции аддитивного шума.

По результатам работы блока 7 параллельно в блоках 8 и 9 происходит вычисления суммы диагональных элементов от произведения нормированных матриц взаимных энергий отождествляемых спектральных компонент:

и произведения суммы диагональных элементов данных матриц

соответственно.

В блоке 10 выполняется вычисление решающей статистики идентификации:

.

В блоке 11 по каждой паре спектральных отсчетов происходит сравнение решающей статистики с пороговым уровнем отождествления (идентификации).

В случае превышения порога – принятие решения о том, что данная пара спектральных отсчетов соответствует сигналу одного ИРИ. Результаты адаптивного отождествления спектральных компонент сигнала по принадлежности к одному источнику радиоизлучения отправляются на последующую цифровой обработки сигналов.

Достигаемый технический результат – повышение достоверности отождествления спектральных компонент по принадлежности к сигналу одного источника радиоизлучения, проявляющийся в увеличении вероятности правильного отождествления при фиксированной вероятности ложной тревоги.

Сравнение показателей эффективности предлагаемого способа и способа-прототипа.

Анализ статистических характеристик распределения обеих решающих статистик предлагаемого способа (ф.(4)) и способа-прототипа (ф.(3)) проведен с помощью программного продукта Mathcad 15.0. При статистическом моделировании характеристик отождествления число статистических испытаний выбиралось равным 106. Моделировалось падение плоской радиоволны с различных направлений на семиэлементную эквидистантную кольцевую антенную решетку (ЭКАР). В каждом статистическом эксперименте по одинаковым исходным данным вычислялись величины, соответствующие решающим статистикам (3) и (4). Аддитивные канальные шумы полагались гауссовскими с одинаковыми интенсивностями, нулевыми средними значениями и диагональной матрицей корреляции. Под отношением сигнал/шум понималось отношение модуля амплитуды сигнала к среднеквадратическому значению шума.

Предполагалось, что количество наблюдаемых реализаций равно трем. Ввиду того, что принятие решение об отождествлении спектральных компонент для способа-прототипа предполагается выполнять по каждой наблюдаемой реализации, вероятность правильного отождествления для способа-прототипа рассчитывалась относительная частота превышения порога отождествления решающей статистикой (3) в каждой из трех наблюдаемых реализаций. Предлагаемый способ предполагает выполнение процедуры накопления взаимных энергий спектральных компонент по наблюдаемым реализациям, поэтому соответствующая данному способу вероятность правильного отождествления рассчитывалась относительная частота превышения порога отождествления решающей статистикой (4), вычисленной по накопленным взаимным спектрам.

По результатам расчета вероятности правильного отождествления для каждого из анализируемых способов определялись значения пороговых уровней, обеспечивающих заданную и одинаковую для обоих вероятность ложной тревоги – вероятность не отождествления (т.е. разделения) двух спектральных компонент, принадлежащих сигналу одного ИРИ.

Для обеспечения большего соответствия результатов моделирования с реальными условиями функционирования ОП при моделировании предполагалось, что в каждом статистическом эксперименте уровни амплитуды сигнала в каналах ОП различны, отличаются на величину от 0 дБ до 10 дБ (изменение амплитуды проводилось по равномерному закону). В частности, различные уровни сигнала в каналах ОП в большинстве случаев обусловлены наличием взаимных влияний в АС ОП. Результаты моделирования представлены на фигуре 2. На фиг. 2а приведена зависимость вероятности правильного отождествления от порогового уровня. Зависимость получена при одинаковом для обеих спектральных компонент отношении сигнал/шум (ОСШ) в каналах ОП равном 5 дБ, причем вариация амплитуды обеспечивала уменьшение ОСШ на величину 0…10 дБ относительно указанного значения. На фиг. 2б приведена зависимость вероятность не отождествления от углового различия, в град., между направлениями на ИРИ при вероятности правильного отождествления 0,95. Данные фиг .2 соответствуют отношению радиуса ЭКАР к длине волны, равном 0,5. На фиг. 3 приведены аналогичные фиг. 2 зависимости при отношении радиуса ЭКАР к длине волны, равном 1. Сплошная кривая соответствует предлагаемому способу, пунктирная кривая соответствует способу-прототипу.

Из представленных на фиг. 2 и фиг. 3 результатов видно, что в сравнении со способом-прототипом предлагаемый способ обеспечивает выигрыш в показателях эффективности отождествления в условиях различия уровней спектральных компонент в приемных каналах ОП, что количественно характеризуется повышением вероятности правильного различения ИРИ при наличии ненулевого углового разноса между направлениями на ИРИ.

Кроме отличия в уровнях принимаемого сигнала в различных каналах ОП, в реальных условиях функционирования ОП ввиду произвольной спектральной структуры излучаемых ИРИ радиосигналов, а также из-за применения весового окна при спектральном представлении принимаемых реализаций, в общем случае амплитуды отождествляемых спектральных компонент различаются по величине. С целью анализа данного случая при моделировании предполагалось, что в каждом статистическом эксперименте уровни амплитуд двух отождествляемых спектральных компонент сигнала отличаются на величину 6 дБ, при этом ОСШ в каналах ОП для одной компоненты задавалось равным 6 дБ, для другой – 0 дБ. Амплитуды каждой компоненты полагались одинаковыми для всех приемных каналов ОП, отношение радиуса ЭКАР к длине волны равно 1. На фиг. 4а приведена полученная зависимость вероятности правильного отождествления от порогового уровня; на фиг. 4б приведена зависимость вероятность не отождествления от углового различия, в град., между направлениями на ИРИ при вероятности правильного отождествления 0,95. Сплошная кривая соответствует предлагаемому способу, пунктирная кривая соответствует способу-прототипу.

Из представленных на фиг. 4 результатов видно, что в сравнении со способом-прототипом предлагаемый способ обеспечивает выигрыш в показателях эффективности отождествления в условиях различия уровней отождествляемых спектральных компонент, что количественно характеризуется повышением вероятности правильного различения ИРИ при наличии ненулевого углового разноса между направлениями на ИРИ.

Предлагаемый способ справедлив для АС с произвольной структурой и характеристиками направленности антенных элементов, при многократном приеме наблюдаемых реализаций, в случае приема сигналов с произвольным частотным распределением энергий спектральных компонент, в результате чего обеспечивается работоспособность предлагаемого способа при изменении соотношений уровней сигналов в каналах ОП, в том числе обусловленных взаимными влияниями в антенной системе.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в многоканальных моноимпульсных обнаружителях-пеленгаторах систем радиомониторинга для решения задач отождествления спектральных компонент по принадлежности к сигналу одного источника радиоизлучения. Технический результат – повышение достоверности отождествления спектральных компонент по принадлежности к сигналу одного источника радиоизлучения, проявляющийся в увеличении вероятности правильного отождествления при фиксированной вероятности ложной тревоги. Способ может быть использован для антенной системы с произвольной структурой и характеристиками направленности антенных элементов при многократном приеме наблюдаемых сигналов в случае приема сигналов с произвольным частотным распределением энергий спектральных компонент, в результате чего обеспечивается осуществление способа при изменении соотношений уровней сигналов в каналах обнаружителя-пеленгатора, в том числе обусловленных взаимными влияниями в антенной системе. 4 ил.

Способ адаптивного отождествления спектральных компонент по принадлежности к сигналу одного источника радиоизлучения (ИРИ), включающий синхронный и когерентный прием сигналов во временной области с выходов всех антенн антенной системы (АС) в пространственных каналах обнаружителя-пеленгатора, одновременно попадающих в текущую полосу приема и анализа, когерентный перенос на более низкую частоту путем гетеродинирования, синхронное преобразование сигналов во временной области в цифровую форму, вычисление отсчетов преобразования Фурье каждого сигнала во временной области в каждом пространственном канале обнаружителя-пеленгатора; по каждому из анализируемой пары спектральных отсчетов преобразования Фурье сигналов во временной области вычисление действительных канальных и комплексных взаимных энергий; вычисление решающей статистики; по каждой паре спектральных отсчетов сравнение решающей статистики с пороговым уровнем идентификации, вычисляемым в соответствии с критерием Неймана-Пирсона и обеспечивающим требуемую постоянную вероятность ложной тревоги, в случае превышения порога – принятие решения о том, что данная пара спектральных отсчетов соответствует сигналу одного ИРИ, отличающийся тем, что прием сигналов во временной области с выходов всех антенн АС в пространственных каналах обнаружителя-пеленгатора осуществляют многократно последовательно во времени; по каждому из анализируемой пары спектральных отсчетов преобразования Фурье дополнительно по каждому из принятых сигналов во временной области выполняют вычисление действительных канальных и комплексных взаимных энергий; затем выполняют накопление для каждой пары спектральных отсчетов по каждому из принятых сигналов во временной области канальных и взаимных энергий спектральных компонент путем суммирования их значений, вычисленных по каждому из принятых сигналов во временной области, и формирование нормированной матрицы взаимных энергий, равной произведению накопленной матрицы взаимных энергий и матрицы, обратной к матрице корреляции аддитивного шума; в качестве решающей статистики используют отношение следа от произведения нормированных матриц взаимных энергий отождествляемых спектральных компонент к произведению следов данных матриц.