СПОСОБ АДАПТИВНОГО ОБНАРУЖЕНИЯ ПО КОРРЕЛЯЦИОННОМУ ПРИЗНАКУ Российский патент 2021 года по МПК G01S13/00 

Предлагаемый способ относится к радиотехнике, в частности, к цифровой обработке радиолокационных сигналов. Задача обнаружения коррелированных на фоне некоррелированных случайных процессов по дискретным выборкам конечного объема возникает во многих технических приложениях. Весьма актуальна, например, задача анализа помеховой обстановки, которая в простейшем случае решается путем назначения в РЛС когерентного режима работы с СДЦ в обнаруженных областях с коррелированными отражениями.

Известен способ корреляционного обнаружения [1], в котором для стабилизации ложных тревог применяется жесткое ограничение перемножаемых сигналов. Такая непараметрическая обработка вносит большие потери в обнаружение и требует использования большой выборки наблюдения. Известен способ стабилизации ложных тревог при обнаружении сигнала с помощью адаптивного порога с использованием выборки наблюдения с усреднением в скользящем окне по дальности [2]. Однако такие способы обнаружения не используют корреляционный признак и не работают при воздействии дискретных отражений.

Наиболее близким к предложенному способу является способ корреляционного обнаружения отраженных сигналов от дискретных отражений, когда две выборки наблюдения принятых на двух несущих частотах или в двух смежных периодах повторения перемножаются и их произведение накапливается от обзора к обзору для каждого элемента дальности и модуль накопленного произведения сравнивается с фиксированным порогом [3]. Полученная таким образом оценка модуля межчастотного или межпериодного коэффициента корреляции сравнивается с порогом, на основании чего принимается решение о наличии отраженных коррелированных сигналов от дискретных отражений. Хотя данный способ позволяет осуществлять эффективное обнаружение дискретных отражений по корреляционному признаку, тем не менее, данному способу свойственен недостаток, проявляющийся в отсутствии стабилизации ложных тревог при изменении уровня шума, на фоне которого производится обнаружение. Данный способ может рассматриваться, как прототип.

С целью обеспечения стабилизации ложных тревог при корреляционном обнаружении предлагается способ, который включает в себя формирование оценки модуля коэффициента корреляции на основе двух выборок наблюдений, принятых на двух несущих частотах или в двух смежных периодах РЛС и сравнение этой оценки с порогом в каждом элементе дальности с присвоением при превышении этого порога в конкретном элементе дальности признака обнаружения коррелированного дискретного отражения, отличающийся тем, что с целью стабилизации ложных тревог при изменении уровня шума сравнение оценки модуля коэффициента корреляции производят с адаптивным порогом, формируемым как произведение коэффициента, определяющего вероятность ложной тревоги на суммарную оценку мощности шума на двух несущих частотах или двух смежных периодах повторения. При формировании оценок модуля коэффициента корреляции и оценок уровня шума накопление производят от обзора к обзору в каждом элементе дальности.

Таким образом, предлагаемый способ раскрывает новые функциональные возможности обнаружения и классификации по корреляционному признаку дискретных отражений при стабилизации вероятности ложной тревоги. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого способа критерию "существенные отличия".

Действительно, в способе, взятом в качестве прототипа, при изменении уровня шума изменяется вероятность ложной тревоги.

Для расчета вероятности ложной тревоги для способа - прототипа воспользуемся для оценки модуля межчастотного или межпериодного коэффициента корреляции, получаемой по N межобзорным независимым накоплениям, в каждом элементе дальности следующими выражениями

где - оценка модуля коэффициента корреляции, ^N - число накоплений по независимым выборкам. Z1 _j=x1_j+iy1_j, Z2_j=x2_j+iy2_j комплексные выборки сигналов на входе умножителя разнесенных по времени или частоте в виде аддитивной смеси шума и коррелированного сигнала. Квадратурные компоненты шума имеют нормальное распределение, при этом их мощность (дисперсия) равна σ² и среднее 0.

Обнаружение объектов по корреляционному признаку реализовано в способе принятом в качестве прототипа путем сравнения полученной оценки модуля коэффициента корреляции с порогом R_ПОР,

Покажем, что изменение мощности шума σ² приводит к изменению вероятности ложной тревоги. Для этого применяя методику из [3] нахождения вероятности ложной тревоги F(Rnop) получим

В данное выражение входит гамма функция Г(N), модифицированная функция Бесселя - порядка N и мощность шума σ².

Расчеты по этой формуле для N=4, приведенные на Фиг. 1 показывают, что даже незначительные изменения мощности шума на входе от 0 до 3 дБ приводит к заметному изменению (росту) вероятности ложной тревоги. Для верификации аналитических расчетов на графике имеются результаты и моделирования корреляционного обнаружения прототипа в MATLAB. Совпадение аналитики и моделирования (см. на Фиг. 1 Ромбики - моделирование, кружочки - аналитика соответствуют мощности шума 0 дБ и квадратики - моделирование, звездочки аналитика для мощности шума 3 дБ) подтверждает отсутствие стабильной вероятности ложной тревоги в способе прототипе. Для преодоления указанного недостатка предлагается производить дополнительно оценки мощности шума на двух несущих частотах или в двух смежных периодах, т.е. z1 и z2

Суммирование оценок мощности Z_s=(z1+z2) и умножение на коэффициент определяющий вероятность ложной тревоги α, позволяет сделать порог адаптивным

Считая, независимыми оценки модуля коэффициента корреляции и оценки мощности шума можно получить выражение для вероятности ложной тревоги предложенного способа.

Считая, что оценка мощности Z_s имеет распределение χ², вероятность ложной тревоги F(α) примет вид

После взятия интеграла получаем

где ₂F₁ гипергеометрическая функция. Полученное выражение говорит о главном - в нем не присутствует мощность шума σ².

Дальнейший анализ производился не только аналитическим расчетом по полученной формуле, но и для верификации моделированием корреляционного обнаружения с адаптивным порогом в МАТЛАБ. Результаты аналитических расчетов и моделирования показали, что изменение уровня шума у предложенного способа не влияет на вероятность ложной тревоги (см. на Фиг. 2 ромбики - моделирование, крестики - аналитика).

Предложенное адаптивное обнаружение по корреляционному признаку для сравнения с прототипом требует расчета характеристик обнаружения флюктуирующего коррелированного сигнала. Это и было сделано с помощью моделирования в системе MATLAB. На Фиг. 3 приводятся вероятности правильного обнаружения флюктуирующего сигнала с коэффициентом корреляции 0,9 для двух рассматриваемых способов соответственно, при N=4 и вероятности ложной тревоги 0,1. Показано, что эффективность в пороговом сигнале для вероятности правильного обнаружения 0,5 и вероятности ложной тревоги 0,1 несколько выше на 1,2 дБ у способа прототипа без стабилизации ложных тревог. Это своего рода плата за инвариантные свойства предложенного способа к изменениям мощности шума, обеспечивая стабилизацию вероятности ложной тревоги на выходе.

Таким образом, проведенное исследование в системе MATLAB полностью подтверждает положительный эффект от применения предложенного способа обнаружения по корреляционному признаку дискретных коррелированный отражений.

ПЕРЕЧЕНЬ ИСТОЧНИКОВ, ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ПРИ ОФОРМЛЕНИИ ЗАЯВКИ

1. Бартенев В.Г. О распределении огибающей на выходе коррелятора с ограничением // Радиотехника. 1977. Т. 33, №3. - С. 56-59.

2. Бакулев П.А. Радиолокационные системы. - М.: Радиотехника, 2007. - С. 87-88.

3. Бартенев В.Г., Бартенев М.В. Способ нахождения вероятностных характеристик на выходе нелинейных систем // Цифровая обработка сигналов. 2013. №4 - С. 42-44

4. Потемкин В.Г. "Справочник по MATLAB" Анализ и обработка данных. http://matlab.exponenta.ru/ml/book2/chapter8/

Изобретение направлено на повышение эффективности корреляционного обнаружения при использовании адаптивного порога. Указанный технический результат достигают тем, что кроме формирования оценки модуля коэффициента корреляции на основе двух выборок наблюдений, принятых на двух несущих частотах или в двух смежных периодах РЛС, и сравнения этой оценки с порогом в каждом элементе дальности с присвоением при превышении этого порога в конкретном элементе дальности признака обнаружения коррелированного дискретного отражения, дополнительно с целью стабилизации ложных тревог при изменении уровня шума сравнение оценки модуля коэффициента корреляции производят с адаптивным порогом, формируемым как произведение коэффициента, определяющего вероятность ложной тревоги на суммарную оценку мощности шума на двух несущих частотах или двух смежных периодах повторения. При этом накопление при формировании оценок модуля коэффициента корреляции и оценок уровня шума производят от обзора к обзору в каждом элементе дальности. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ адаптивного обнаружения по корреляционному признаку, который включает в себя формирование оценки модуля коэффициента корреляции на основе двух выборок наблюдений, принятых на двух несущих частотах или в двух смежных периодах РЛС, и сравнение этой оценки с порогом в каждом элементе дальности с присвоением при превышении этого порога в конкретном элементе дальности признака обнаружения коррелированного дискретного отражения, отличающийся тем, что с целью стабилизации ложных тревог при изменении уровня шума сравнение оценки модуля коэффициента корреляции производят с адаптивным порогом, формируемым как произведение коэффициента, определяющего вероятность ложной тревоги на суммарную оценку мощности шума на двух несущих частотах или двух смежных периодах повторения.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что накопление при формировании оценок модуля коэффициента корреляции и оценок уровня шума производят от обзора к обзору в каждом элементе дальности.