Способ двухэтапной селекции спектральных компонент радиосигналов в многоканальной аппаратуре радиомониторинга Российский патент 2022 года по МПК G01R23/18 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах радиомониторинга для многоканального обнаружения и моноимпульсного пеленгования источников радиоизлучения (ИРИ) в условиях априорной неопределенности относительно количества ИРИ, параметров принимаемых сигналов и интенсивности шума при ограниченной пропускной способности линий передачи данных многоканальной аппаратуры радиомониторинга.

Как правило, современная многоканальная аппаратура радиомониторинга состоит из нескольких радиоприемных трактов, осуществляющих радиоприем и оцифровку сигналов, и аппаратуры совместной цифровой обработки сигналов, полученных от всех радиоприёмных каналов. Параллельная во времени многоканальная передача оцифрованных данных с каждого радиоприемного канала осуществляется с помощью высокоскоростных линий передачи данных, например, реализованных на основе технологии пакетной передачи данных Ethernet.

Современные тенденции к одновременному увеличению динамического диапазона в полосе одновременного обзора, ширины полосы одновременного обзора и характеристик разрешающей способности сигналов по частоте определяют необходимость использования в аппаратуре радиомониторинга высоко разрядных аналого-цифровых преобразователей (АЦП), а также аппаратных средств с высокой пропускной способностью для передачи большого потока данных, соответствующих оцифрованным радиосигналам всей полосы частот одновременного обзора.

В реальных условиях функционирования систем радиомониторинга при реализации высокоэффективных алгоритмов многоканального обнаружения и моноимпульсного пеленгования ИРИ необходимо учитывать ограничения, связанные с реально достижимой пропускной способностью линий передачи данных многоканальной аппаратуры радиомониторинга. В общем случае, для осуществления совместной обработки радиосигналов, принятых многоканальным радиоприемным устройством в текущей полосе частот одновременного обзора, необходимо обеспечить передачу спектров сигналов с каждого радиоприемного канала в аппаратуру совместной обработки для последующей реализации высокоэффективных алгоритмов многоканального обнаружения и пеленгования ИРИ.

При этом ограничения в части пропускной способности линий передачи данных являются принципиальными, а их игнорирование в общем случае приводит к критическим ухудшениям показателей эффективности радиомониторинга. Возникающие пропуски спектральных отсчетов сигналов неизбежно приводят к ошибкам в определении частоты и ширины спектра сигналов, к снижению точности пеленгования ввиду использования лишь части спектральных отсчётов сигнала, в результате чего повышается вероятность ошибок в определении вида сигнала и его принадлежности к объектам радиомониторинга.

Однако, следует учитывать, что ограниченная пропускная способность линий передачи данных аппаратуры радиомониторинга может быть учтена за счет реализации специализированной одноканальной обработки сигналов, основной целью которой является селекция сигнальных спектральных отсчетов в объеме, соответствующем имеющейся пропускной способности. В этом случае передаваемый объем данных должен содержать как можно больше информации о сигналах; при этом наличие среди передаваемых данных отсчетов шума должно быть сведено к минимуму.

В указанной постановке задача селекции спектральных отсчетов сигналов ИРИ может быть эффективно решена с учетом имеющих место ограничений в части пропускной способности линий передачи данных. Передаваемые отсчеты шума, являющиеся неинформативными для решения задач определения радиомониторинга ИРИ, должны быть в максимальной степени исключены из рассмотрения и дальнейшей обработки на этапе совместной обработки данных по результатам выполнения многоканального обнаружения и пеленгования ИРИ; при этом сигнальные спектральные отсчеты в ходе указанной обработки должны быть обнаружены и отождествлены по принадлежности к сигналу одного ИРИ.

Возможность практической реализации описанной обработки определяется следующим. В большинстве случаев, характерных для ведения радиомониторинга, совокупность спектров принимаемых сигналов занимает некоторую часть полосы частот одновременного обзора (другая часть спектральных компонент соответствует шуму и является неинформативной для решения задач радиомониторинга), что в реальных условиях ограниченной пропускной способности линий передачи данных аппаратуры радиомониторинга определяет целесообразность реализации двухэтапной селекции спектральных компонент принимаемых сигналов:

- на первом этапе необходимо в каждом радиоприемном канале реализовать селекцию спектральных компонент, соответствующих полосе частот каждого из принимаемых сигналов и составляющих суммарно некоторую часть (z, где 0≤z≤1) от общего количества спектральных компонент всей полосы частот одновременного обзора;

- на втором этапе по результатам совместной обработки переданных с каждого радиоприемного канала спектральных компонент принимаемых сигналов реализовать многоканальную селекцию спектральных компонент по результатам адаптивного пространственно-многоканального обнаружения.

После указанной двухэтапной селекции спектральных компонент становится возможным реализовать высокоэффективное отождествление спектральных компонент по принадлежности к одному ИРИ и моноимпульсное пеленгование ИРИ.

Реализация первого этапа селекции позволяет в среднем уменьшить количество передаваемых данных в (1/z) раз (пропорционально доле, z, сигнальных спектральных компонент от общего количества спектральных компонент всей полосы частот одновременного обзора) с сохранением информации о принимаемых сигналах. В результате становится возможным увеличить вероятность обнаружения ИРИ при ограниченной пропускной способности линий передачи данных аппаратуры радиомониторинга, а, следовательно, повысить эффективность радиомониторинга в целом.

Среди обозначенных выше двух основных этапов селекции спектральных компонент первый этап с точки зрения показателей эффективности является определяющим для всей последующей обработки; современные способы реализации второго этапа селекции - многоканальной селекции спектральных компонент по результатам адаптивного пространственно-многоканального обнаружения - достаточно хорошо разработаны. В частности, высокоэффективный способ адаптивного пространственно-многоканального обнаружения спектральных компонент сигналов источников радиоизлучения приведен в [Артемов М.Л., Афанасьев О.В., Абрамова Е.Л., Сличенко М.П. Способ адаптивного пространственно-многоканального обнаружения спектральных компонент сигналов источников радиоизлучения. Патент РФ № 2696022, G01S 5/04].

Для реализации первого этапа селекции необходимо использовать способы селекции спектральных компонент сигналов в одном пространственном канале, работоспособные в условиях характерной для практики радиомониторинга априорной неопределенности относительно частоты принимаемых сигналов, их количества и уровней, а также интенсивности сопровождающего радиоприем аддитивного шума.

Известен способ одноканального обнаружения совокупности узкополосных радиосигналов на фоне широкополосного аддитивного шума, изложенный в [Радиомониторинг. Задачи, методы, средства. А.М. Рембовский, А.В. Ашихмин, В.А. Козьмин. Москва, 2012, с. 112-123], включающий выполнение следующих основных этапов:

1) Многократный радиоприем R (R≥1) временных реализаций сигналов в заданной полосе частот.

2) Преобразование Фурье каждой -й () принятой временной реализации.

3) Вычисление амплитудного спектра сигналов (усредненного по реализациям энергетического спектра принятой временной реализации) по каждому n-му отсчету преобразования Фурье по формуле

,

где - n-й отсчет преобразования Фурье r-й временной реализации,

n - порядковый номер отсчета преобразования Фурье (),

- число отсчетов преобразования Фурье,

- порядковый номер принимаемой временной реализации ().

4) Реализация итерационного алгоритма оценки средней мощности шума , приходящейся на каждый отсчет преобразования Фурье, заключающейся в проведении многократного оценивания средней мощности шума и выполнения порогового обнаружения спектральных отсчетов с последовательной коррекцией значения оценки средней мощности шума за счет исключения из рассмотрения в каждой новой итерации обнаруженных на предыдущей итерации сигнальных спектральных компонент.

5) Разделение отсчетов на шумовые и сигнальные путем сравнения значений с порогом . Уровень порога выбирается исходя из полученной оценки мощности шума в соответствии с критерием Неймана-Пирсона.

Данный способ основан на выполнении следующих исходных допущений относительно характеристик радиообстановки:

- анализируемый случайный процесс содержит неизвестное число узкополосных сигналов;

- априорные сведения о несущей частоте, способе и параметрах модуляции наблюдаемых сигналов отсутствуют;

- известно, что ширина спектра сигнала не превышает некоторого заранее выбранного значения;

- априорные сведения об интенсивности шума отсутствуют, однако в пределах обрабатываемой полосы частот, ограничиваемой возможными значениями частоты дискретизации, мощность шума практически не меняется.

Известен также способ [«Обнаружение узкополосных сигналов в широкополосных системах радиомониторинга» Козьмин В.А., Токарев А.Б. XVII Международная научно-техническая конференция «Радиолокация, навигация, связь». 12-14 апреля 2011 г. Воронеж]. Ключевым отличием данного способа от способа [Радиомониторинг. Задачи, методы, средства. А.М. Рембовский, А.В. Ашихмин, В.А. Козьмин. Москва, 2012, с. 112-123] является предложенный алгоритм выбора порога обнаружения. Так, предлагается выполнять действия, аналогичные обозначенным выше пунктам 1 и 2 способа [Радиомониторинг. Задачи, методы, средства. А.М. Рембовский, А.В. Ашихмин, В.А. Козьмин. Москва, 2012, с. 112-123], а вместо пунктов 3 и 4 выполнять следующую последовательность действий:

1) Расчет сглаженного энергетического спектра ,

,

где - знак взятия целой части, а ширина окна сглаживания полагается равной отсчетов.

2) По минимуму сглаженного спектра , где индекс n_ш вычисляется по формуле

,

определение начального индекса участка, на котором присутствие сигналов наименее вероятно.

3) Расчет для этого участка усредненного значения нескольких максимальных шумовых отсчетов спектра и определение порога обнаружения по формуле

,

где

- максимальный отсчет спектра на небольшом фрагменте шумового участка анализируемой полосы частот шириной отсчетов,

- поправочный коэффициент, в общем случае зависящий от характеристик аппаратуры. Как отмечено в [«Обнаружение узкополосных сигналов в широкополосных системах радиомониторинга» Козьмин В.А., Токарев А.Б. XVII Международная научно-техническая конференция «Радиолокация, навигация, связь». 12-14 апреля 2011 г. Воронеж], при неизвестных свойствах аппаратуры для предотвращения грубых ошибок используют значение .

Основными недостатками указанных способов применительно к решению обозначенной выше задачи селекции спектральных компонент сигналов в многоканальной аппаратуре радиомониторинга являются следующие:

1. Ключевой функциональной операцией способов является итерационная оценка средней мощности шума, приходящейся на каждый отсчет спектра, для реализации которой требуются достаточно значительные временные затраты, в общем случае пропорциональные количеству итераций. В особенности при радиомониторинге ИРИ, излучающих короткие импульсные сигналы, способ не позволит обеспечить требуемого быстродействия, и как следствие, приведет к значительному ухудшению показателей радиомониторинга таких ИРИ в реальных условиях.

Дополнительно следует отметить, что достаточно эффективным техническим решением является применение в аппаратуре радиомониторинга высокопроизводительных ПЛИС, которые позволяют осуществлять многопоточную параллельную во времени сверхбыстродействующую цифровую обработку сигналов. Однако, наличие итерационных процедур в указанных выше способах не позволяет использовать широкий спектр возможностей, реализуемых на практике с помощью ПЛИС, так как указанные способы основаны на реализации не параллельной, а последовательной во времени обработки данных с параметрами, на каждом шаге зависящими от результатов вычислений, полученных на предыдущем шаге.

2. Способы основаны на предположении, что мощность шума остается практически неизменной в полосе частот радиоприема. Данное предположение в общем случае может являться в достаточной степени неадекватным практике; причем степень адекватности данного предположения как правило ухудшается с увеличением ширины полосы частот радиоприема, что соответствует одной из основных тенденций современного развития аппаратуры радиомониторинга.

Вместе с тем, применение этих способов при неравномерной мощности шума в полосе частот радиоприема, в зависимости от величины данной неравномерности, может привести к обнаружению ложных сигналов и пропуску сигналов слабого уровня, и как следствие, к ухудшению показателей эффективности радиомониторинга в целом.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому, является способ внутрипериодной обработки комплексных спектров сигналов с выхода приемных каналов по результатам обзора частотного диапазона [Уфаев В.А. Способы определения местоположения и пространственной идентификации источников радиоизлучений. Монография. 2017 (стр. 293-295)], принятый за прототип.

Способ-прототип направлен на решение задачи преобразования потока сигналов с объемом выборки , где - число антенн пеленгатора.

Процедура обработки сигналов включает в себя:

- выполнение обнаружения сигнальных спектральных компонент в каждом элементарном частотном канале;

- определение частотных элементов - спектральных компонент сигналов ИРИ;

- определение для каждого частотного элемента границ спектра элемента и его максимума, а также пеленга в точке максимума;

- идентификацию соседних частотных элементов по пеленгу и частоте;

- определение нижней и верхней границ полосы частот сигналов, положения максимума спектра сигналов, пеленга на ИРИ, отношения сигнал/шум (ОСШ) в максимуме спектра сигнала.

Способ-прототип, в части селекции спектральных компонент сигналов ИРИ, предполагает выполнение следующих действий:

1) Синхронный прием временных реализаций с помощью антенн и - канального приемного устройства (), одновременно попадающих в текущую полосу приема, перенос на более низкую частоту, синхронное преобразование временных реализаций в цифровую форму, вычисление отсчетов преобразования Фурье оцифрованной временной реализации в каждом канале обнаружителя-пеленгатора.

2) Вычисление амплитудного спектра сигналов, принятых в полосе одновременного обзора, в виде значения квадрата модуля отсчетов спектров в каждом из приемных каналов

,

где - порядковый номер приемного канала обнаружителя-пеленгатора
();

n - порядковый номер отсчета преобразования Фурье (n=0…N-1),

N - число отсчетов преобразования Фурье.

3) Вычисление среднего квадратичного значения модуля спектров по всем приемным каналам.

4) Определение 1000 минимальных значений амплитудного спектра (примерно половины диапазона одновременного обзора) и их среднего квадратичного значения (СКЗ) шума. Порог обнаружения выбирается как учетверенное значение СКЗ, с которым сравнивается амплитудный спектр.

5) При превышении порогового уровня принимают решение о наличии сигнала на анализируемой частоте. В противном случае считают, что на данной частоте сигнал отсутствует.

В отличие от ранее указанных способов [«Обнаружение узкополосных сигналов в широкополосных системах радиомониторинга» Козьмин В.А., Токарев А.Б. XVII Международная научно-техническая конференция «Радиолокация, навигация, связь». 12-14 апреля 2011 г. Воронеж], [Радиомониторинг. Задачи, методы, средства. А.М. Рембовский, А.В. Ашихмин, В.А. Козьмин. Москва, 2012, с. 112-123], способ-прототип предполагает возможность его реализации и применение в аппаратуре радиомониторинга высокопроизводительных ПЛИС, которые позволяют осуществлять многопоточную, параллельную во времени, сверхбыстродействующую цифровую обработку сигналов. В частности, нахождение фиксированного количества минимальных отсчетов реализуется с использованием современных ПЛИС известными программными решениями с возможностью достижения требуемого высокого быстродействия обработки без реализации высоко затратных по времени итерационных процедур.

Однако способ-прототип не лишен недостатков, среди которых, применительно к поставленной задаче селекции спектральных компонент радиосигналов в многоканальной аппаратуре радиомониторинга, основными являются следующие:

1) Способ предполагает выполнение операции суммирования квадратов модулей спектральных компонент временных реализаций, принятых во всех радиоприемных каналах до выполнения обнаружения (а, следовательно, и принятия решения о том, является ли сигнальным каждый из спектральных отсчетов). Однако, для реализации такой обработки необходимо осуществить передачу спектров принятых сигналов со всех радиоприемных каналов в аппаратуру совместной обработки. Для реализации такой процедуры необходимо обеспечить пропускную способность линии передачи данных, соответствующую передаче всех отсчетов преобразования Фурье за требуемое время. В случае необходимости реализации высокого быстродействия радиомониторинга, широкой полосы одновременного обзора, большого динамического диапазона при приеме сигналов, высокого разрешения сигналов по частоте - это требует достаточно большой скорости передачи данных, что может быть во многих практически важных случаях в значительной степени трудно реализуемо.

2) Способ основан на оценивании средне квадратичного значения шума по результатам нахождения фиксированного количества минимальных значений амплитудного спектра. Среди них весьма вероятно могут быть отсчеты, соответствующие сигналам ИРИ с малым уровнем (малым отношением сигнал/шум). Поэтому оценка средне квадратичного значения шума будет содержат ошибку, обусловленную наличием сигнальных отсчётов среди выбранных минимальных отсчетов шума. Использование такой оценки при вычислении порога обнаружения приведет в общем случае к ухудшению показателей эффективности обнаружения (пропускам сигнала и ложным обнаружениям).

Кроме того, фиксированное количество используемых минимальных по величине отсчётов амплитудного спектра, равное 1000, приводит к тому, что оценка шума становится зависимой от количества принимаемых сигналов и их уровней. Так, в случае приема широкополосного фазоманипулированного радиосигнала часть отсчетов его спектра может оказаться среди найденных 1000 минимальных значений, что приведет к дополнительным ошибкам в оценивании средне квадратичного значения шума. Когда количество сигнальных спектральных компонент превысит используемое в способе фиксированное значение, среди отсчетов, по которым вычисляется оценка средне квадратичного значения шума, неизбежно будут находиться отсчеты данного сигнала. В предельном случае, когда все отсчеты являются сигнальными (случай приема широкополосного сигнала с шириной полосы, превышающей ширину полосы приема радиосигналов), оценка средне квадратичного значения шума будет сильно завышенной, что приведет к пропуску сигнальных отсчетов.

3) Показатели эффективности способа-прототипа существенным образом зависят от количества принимаемых временных реализаций, по отсчетам которых в соответствии с прототипом производится накопление амплитудного спектра и последующее обнаружение сигнальных отсчетов. Применительно к обозначенной выше задаче последовательного во времени приема временных реализаций необходимо обеспечить селекцию спектральных отсчетов в каждой временной реализации; в этом случае показатели эффективности способа-прототипа являются наименьшими из возможных, так как данному случаю соответствует отсутствие накопления амплитудного спектра.

Указанные недостатки способа-прототипа являются принципиальными, обуславливающими нецелесообразность в целом его применения для решения задачи селекции спектральных компонент сигналов в одном пространственном канале; в общем случае следует заключить, что прототип не обеспечивает работоспособность в условиях характерной для практики радиомониторинга априорной неопределенности относительно частоты принимаемых сигналов, их количества и уровней, а также интенсивности сопровождающего радиоприем аддитивного шума.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является повышение показателей эффективности селекции спектральных компонент радиосигналов в многоканальной аппаратуре радиомониторинга в условиях характерной для практики радиомониторинга априорной неопределенности относительно частоты принимаемых сигналов, их количества и уровней, а также интенсивности сопровождающего радиоприем аддитивного шума.

Для решения поставленной задачи в способе двухэтапной селекции спектральных компонент радиосигналов в многоканальной аппаратуре радиомониторинга, включающем синхронный прием -канальной () антенной системой временных реализаций, одновременно попадающих в текущую полосу приема, синхронный перенос на более низкую частоту, синхронное преобразование временных реализаций в цифровую форму, вычисление отсчетов преобразования Фурье оцифрованной временной реализации, вычисление квадратов модулей отсчетов преобразования Фурье в каждом канале, согласно изобретению, на первом этапе одновременно во всех каналах осуществляют следующую обработку принятых временных реализаций независимо для каждого канала:

- определяют упорядоченных по убыванию максимальных значений квадратов модулей отсчетов преобразования Фурье и соответствующие им порядковые номера , =0…N-1, где t=0…Т-1, N - число отсчетов преобразования Фурье; при этом выбирают исходя из заданной пропускной способности линии передачи данных;

- последовательно для каждого спектрального отсчета с порядковым номером определяют сигнальную область , образованную отсчетами с порядковыми номерами , удовлетворяющими условию

где - количество спектральных отсчетов преобразования Фурье, соответствующее априорно известной максимальной ширине полосы сигналов ИРИ;

запоминают порядковые номера отсчетов, соответствующих данной сигнальной области, для последующей передачи отсчетов в аппаратуру совместной обработки,

- повторяют действия предыдущего пункта, исключая из рассмотрения отсчеты, соответствующие определенной на предыдущем шаге сигнальной области, до тех пор, пока суммарное количество выбранных отсчетов не превысит предельно допустимое значение, соответствующее предельной пропускной способности линии передачи данных;

на следующем - втором, этапе отсчеты с каждого канала, соответствующие выбранным сигнальным областям, передают в аппаратуру совместной обработки, где по каждому из них формируют решающую статистику адаптивного пространственно-многоканального обнаружения, по результатам сравнения которой с порогом, выбранным в соответствии с критерием Неймана-Пирсона, принимают окончательное решение о принадлежности спектрального отсчета к сигналу.

Рациональным техническим решением при разработке соответствующей многоканальной аппаратуры радиомониторинга может являться применение в аппаратуре высокопроизводительных программируемых интегральных схем (ПЛИС), которые позволяют осуществлять многопоточную параллельную во времени сверхбыстродействующую цифровую обработку сигналов.

Достигаемое предлагаемым способом двухэтапной селекции спектральных компонент радиосигналов в многоканальной аппаратуре радиомониторинга уменьшение количества передаваемых данных в аппаратуру совместной цифровой обработки сигналов в особенной степени является значимым для радиомониторинга ИРИ, излучающих короткие импульсные сигналы. Это обусловлено тем, что для реализации поимпульсной обработки ввиду априорной неопределенности о моментах времени прихода импульсов необходимо обеспечить последовательный во времени прием коротких временных выборок, их быструю оцифровку, селекцию по частоте и передачу данных в аппаратуру совместной обработки. Причем время выполнения указанных функциональных операций не должно значительно превышать длительность временной выборки. Выполнение именно этого условия является необходимым для реализации последовательного во времени многократного приема сигналов, обеспечивающего непрерывный во времени анализ радиосигналов в полосе частот одновременного обзора.

При этом основным техническим решением, позволяющим достигнуть требуемого уровня быстродействия функционирования многоканальной аппаратуры радиомониторинга, является реализация двухэтапной селекции спектральных компонент радиосигналов. Следует особо подчеркнуть, что лишь селекция в спектральной области позволяет преодолеть характерную для практики радиомониторинга априорную неопределенность относительно частот принимаемых сигналов за счет осуществления поиска сигналов по частоте.

Таким образом, в особенности при радиомониторинге ИРИ, излучающих короткие импульсные сигналы, обозначенная выше двухэтапная селекция спектральных компонент радиосигналов в многоканальной аппаратуре радиомониторинга позволит достичь требуемых показателей быстродействия аппаратуры в условиях ограниченной пропускной способности линии передачи данных.

Предлагаемый способ двухэтапной селекции спектральных компонент радиосигналов в многоканальной аппаратуре радиомониторинга заключается в следующем.

1) Синхронный прием временных реализаций с помощью антенн и -канального приемного устройства (причем в отличие от прототипа), одновременно попадающих в текущую полосу приема, перенос на более низкую частоту, синхронное преобразование временных реализаций в цифровую форму, вычисление отсчетов преобразования Фурье оцифрованной временной реализации в каждом канале обнаружителя-пеленгатора.

2) Вычисление амплитудного спектра сигналов, принятых в полосе одновременного обзора, в виде значения квадрата модуля отсчетов спектров в каждом из приемных каналов

,

где - порядковый номер приемного канала обнаружителя-пеленгатора (),

n - порядковый номер отсчета преобразования Фурье (n=0…N-1) принятой в -м канале обнаружителя-пеленгатора временной реализации,

N - число отсчетов преобразования Фурье.

3) В отличие от п. 3 прототипа определяется упорядоченных по убыванию максимальных значений квадратов модулей отсчетов преобразования Фурье и соответствующие им порядковые номера , = 0…N-1, где t = 0…Т-1, N - число отсчетов преобразования Фурье. При этом выбирается, исходя из заданной пропускной способности линии передачи данных. Для каждого спектрального отсчета с порядковым номером последовательно определяется сигнальная область, образованная отсчетами с порядковыми номерами , удовлетворяющими условию

(1)

где - количество спектральных отсчетов преобразования Фурье, соответствующее априорно известной максимальной ширине полосы сигналов ИРИ.

Порядковые номера отсчетов, удовлетворяющие условию (1), запоминаются. Описанная последовательность действий повторяется до тех пор, пока суммарное количество выбранных отсчетов не превысит предельно допустимое значение, соответствующее предельной пропускной способности линии передачи данных. При этом отсчеты, соответствующие определенной на предыдущем шаге сигнальной области, исключаются из рассмотрения.

4) В отличие от п. 4 прототипа при достижении предельно допустимого количества выбранных отсчетов, сохраненные спектральные отсчеты с соответствующими порядковыми номерами с каждого приемного канала поступают в аппаратуру совместной обработки, где формируется решающая статистика пространственно-многоканального обнаружения, например, в соответствии со способом [Артемов М.Л., Афанасьев О.В., Абрамова Е.Л., Сличенко М.П. Способ адаптивного пространственно-многоканального обнаружения спектральных компонент сигналов источников радиоизлучения. Патент РФ № 2696022, G01S 5/04], обеспечивающим высокую вероятность правильного обнаружения за счет учета межканальной корреляции отсчетов спектров сигналов. Сформированная статистика для каждого спектрального отсчета сравнивается с порогом, выбранным в соответствии с критерием Неймана-Пирсона.

5) При превышении порогового уровня принимают решение о наличии сигнала на анализируемой частоте. В противном случае считают, что на данной частоте сигнал отсутствует.

Предлагаемый способ двухэтапной селекции спектральных компонент радиосигналов в многоканальной аппаратуре радиомониторинга лишен перечисленных выше недостатков прототипа, а именно:

1. Заявляемый способ, в отличие от прототипа, позволяет решить задачу селекции сигнальных спектральных отсчетов в условиях ограниченной пропускной способности реальных линий передачи данных при использовании высокопроизводительных ПЛИС.

2. До выполнения совместной обработки сигналов со всех радиоприёмных каналов предлагаемый способ не предполагает выполнение операций, в которых одновременно участвуют отсчеты сигналов различных радиоприемных каналов, т.е. не требует реализации передачи всех отсчетов спектров принятых сигналов со всех радиоприемных каналов в аппаратуру совместной обработки.

3. Заявляемый способ не предполагает оценивания параметров шума, характеристики способа не зависят от количества принимаемых сигналов и их уровней.

4. В отличие от прототипа, показатели эффективности способа не столь значительным образом ухудшаются при приеме одной временной реализации. Применительно к обозначенной выше задаче последовательного во времени приема временных реализаций способ обеспечивает селекцию спектральных отсчетов в каждой временной реализации без накопления амплитудного спектра.

Предлагаемый способ использует минимальную априорную информацию о сигналах обнаруживаемых ИРИ (требуется знание максимальной ширины полосы частот спектра сигнала), а достигаемые заявляемым способом показатели эффективности определяют целесообразность его применения для решения задачи селекции спектральных компонент сигналов в одном пространственном канале в условиях характерной для практики радиомониторинга априорной неопределенности относительно частоты принимаемых сигналов, их количества и уровней, а также интенсивности сопровождающего радиоприем аддитивного шума.

На фиг. 1 приведена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ, где обозначено:

1 - - канальная антенная система;

- одноканальных радиоприемных устройств;

- блок вычисления быстрого преобразования Фурье (БПФ) для каждого -го канала;

- блок вычисления значения квадрата модуля отсчетов быстрого преобразования Фурье для каждого -го канала;

- блок первого этапа селекции спектральных отсчетов для каждого -го канала;

6. - блок второго этапа селекции;

6.1 - блок совместной обработки результатов селекции;

6.2 - блок сравнения решающей статистики обнаружения с порогом.

Устройство содержит -канальную антенную систему 1, включающую антенн, объединенных в антенную решетку. Каждый элемент (антенна) решетки соединен с входом соответствующего -го канала, каждый из которого состоит из соответствующих, последовательно соединенных одноканального радиоприемного устройства 2, блока вычисления быстрого преобразования Фурье 3, блока вычисления квадрата модуля отсчетов быстрого преобразования Фурье 4 и блока первого этапа селекции 5. Вход каждого из канала является входом соответствующего одноканального радиоприемного устройства 2. Выход каждого из канала является выходом соответствующего блока первого этапа селекции 5. Выходы блоков первого этапа селекции соединены с соответствующими входами блока второго этапа селекции 6, входы которого являются входами блока совместной обработки результатов селекции 6.1. Выход блока совместной обработки результатов селекции 6.1 соединен со входом блока сравнения решающей статистики обнаружения с порогом 6.2, выход которого является выходом устройства.

Одноканальные радиоприемные устройства выполнены с общим гетеродином, что обеспечивает синхронный прием и последующую обработку сигналов.

Раздельная обработка в каждом канале позволяет реализовать обнаружение сигналов в условиях ограниченной пропускной способности.

Устройство для реализации заявленного способа работает следующим образом. Сигналы с выходов -канальной антенной системы поступают на вход соответствующего радиоприемного устройства , где синхронно переносятся на более низкую частоту. С помощью блоков реализуется операция быстрого преобразования Фурье. Спектральные отсчеты, сформированные для каждого -го канала в блоках , поступают на соответствующий вход блоков вычисления значения квадрата модуля отсчетов быстрого преобразования Фурье . В блоках первого этапа селекции , выполняются следующие действия:

а) определяется упорядоченных по убыванию максимальных значений квадратов модулей отсчетов преобразования Фурье и соответствующие им порядковые номера , =0…N-1, где t=0…Т-1, N - число отсчетов преобразования Фурье; при этом выбирается исходя из заданной пропускной способности линии передачи данных;

б) последовательно для каждого спектрального отсчета с порядковым номером определяется сигнальная область, включающая в себя отсчеты с порядковыми номерами , удовлетворяющими условию

где - количество спектральных отсчетов преобразования Фурье, соответствующее априорно известной максимальной ширине полосы сигналов ИРИ,

порядковые номера отсчетов, соответствующие данной сигнальной области, запоминаются для последующей передачи в аппаратуру совместной обработки,

в) действия пункта б) повторяются до тех пор, пока суммарное количество выбранных отсчетов не превысит предельно допустимое значение, соответствующее предельной пропускной способности линии передачи данных, при этом из рассмотрения исключаются отсчеты, соответствующие определенной на предыдущем шаге сигнальной области;

На следующем (втором) этапе спектральные отсчеты, сформированные в блоках первого этапа селекции , поступают на блок второго этапа селекции 6, включающем в себя блок совместной обработки результатов селекции 6.1, в котором реализуется адаптивное пространственно-многоканальное обнаружение, например, в соответствии со способом [Артемов М.Л., Афанасьев О.В., Абрамова Е.Л., Сличенко М.П. Способ адаптивного пространственно-многоканального обнаружения спектральных компонент сигналов источников радиоизлучения. Патент РФ № 2696022, G01S 5/04]. Для каждого спектрального отсчета решающая статистика, сформированная в блоке 6.1, сравнивается в блоке 6.2 с порогом, выбранным в соответствии с критерием Неймана-Пирсона.

Результаты моделирования способа двухэтапной селекции спектральных компонент радиосигналов в многоканальной аппаратуре радиомониторинга. С целью подтверждения эффективности и работоспособности предлагаемого способа двухэтапной селекции спектральных компонент радиосигналов в многоканальной аппаратуре радиомониторинга в среде Matlab R2019b выполнено моделирование способа.

Предполагалось, что имеется 7 радиоприемных каналов, обеспечивающих синхронный прием временных реализаций в полосе одновременного обзора, в пересчете на количество спектральных отсчётов преобразования Фурье составляющей 4096 отсчетов. Количество сигналов в полосе одновременного обзора задавалось равным 5. Огибающая спектра сигналов формировалась по гауссовскому закону с нулевым средним и дисперсией, формируемой по равномерному закону в диапазоне значений от 200 до 500. Отношение сигнал/шум при моделировании задавалось по случайному равномерному закону в диапазоне значений от 15 до 40 дБ.

Рассматривалось два случая, соответствующие предельной пропускной способности, обеспечивающей передачу 50% и 25% от общего количества отсчетов, что соответствует 2048 и 1024 отсчетам.

На фиг. 2 и фиг. 3 приведен энергетический спектр сигналов, принятых в одном из радиоприемных каналов. Синим цветом изображены все спектральные отсчеты, красным цветом изображены отсчеты, выбранные по результатам селекции в соответствии с предлагаемым способом для случая предельной пропускной способности, соответствующей передаче 2048 отсчетов (фиг. 2). На фиг. 3 приведены аналогичные данные при пропускной способности, соответствующей передаче 1024 отсчетов.

На фиг. 4 зеленым цветом отмечены спектральные отсчеты, определенные в качестве сигнальных по результатам выполнения второго этапа селекции, включающего многоканальное обнаружение, выполненное в соответствии со способом [Артемов М.Л., Афанасьев О.В., Абрамова Е.Л., Сличенко М.П. Способ адаптивного пространственно-многоканального обнаружения спектральных компонент сигналов источников радиоизлучения. Патент РФ № 2696022, G01S 5/04]. Видно, что по результатам многоканального обнаружения исключены из дальнейшей обработки отсчеты шума, прошедшие первый этап селекции. При этом их наличие не привело к снижению информации о принимаемых сигналах, так как в обоих рассматриваемых случаях предельной пропускной способности (фиг. 2 и фиг. 3) все сигнальные отсчеты прошли оба этапа селекции.

Анализ приведенных результатов моделирования предлагаемого способа позволяет сделать достоверный вывод о том, что в рассматриваемых случаях, несмотря на столь значительное уменьшение (в 2 и 4 раза) количества передаваемых спектральных отсчетов, заявляемый способ обеспечивает достоверную селекцию всех отсчетов, соответствующих сигналам ИРИ во всем диапазоне задаваемых при моделировании отношений сигнал/шум от 15 до 45 дБ. При этом передаваемые наряду с сигнальными отсчетами часть шумовых отсчетов успешно селектируется и исключается из последующей обработки на втором этапе селекции по результатам многоканального обнаружения.

Достигаемый технический результат - повышение быстродействия и достоверности селекции спектральных компонент радиосигналов в условиях характерной для практики радиомониторинга априорной неопределенности относительно частоты принимаемых сигналов, их количества и уровней, а также интенсивности сопровождающего радиоприем аддитивного шума.

Технический результат достигается за счет адаптивной к неизвестным уровням и частотам сигналов двухэтапной селекции спектральных компонент радиосигналов в каждом радиоприемном канале с последующей совместной обработкой спектральных компонент радиосигналов всех радиоприемных каналов.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах радиомониторинга для многоканального обнаружения и моноимпульсного пеленгования источников радиоизлучения (ИРИ). Технический результат - повышение быстродействия и достоверности селекции спектральных компонент радиосигналов. Способ двухэтапной селекции спектральных компонент радиосигналов в многоканальной аппаратуре радиомониторинга, включающий синхронный прием многоканальной антенной системой временных реализаций, одновременно попадающих в текущую полосу приема, синхронный перенос на более низкую частоту, синхронное преобразование временных реализаций в цифровую форму, вычисление отсчетов преобразования Фурье оцифрованной временной реализации, вычисление квадратов модулей отсчетов преобразования Фурье в каждом канале, отличающийся тем, что на первом этапе одновременно во всех каналах определяют упорядоченных по убыванию максимальных значений квадратов модулей отсчетов преобразования Фурье, последовательно для каждого спектрального отсчета с порядковым номером определяют сигнальную область, запоминают порядковые номера отсчетов, соответствующих данной сигнальной области, для последующей передачи отсчетов в аппаратуру совместной обработки. 4 ил.

Способ двухэтапной селекции спектральных компонент радиосигналов в многоканальной аппаратуре радиомониторинга, включающий синхронный прием -канальной () антенной системой временных реализаций, одновременно попадающих в текущую полосу приема, синхронный перенос на более низкую частоту, синхронное преобразование временных реализаций в цифровую форму, вычисление отсчетов преобразования Фурье оцифрованной временной реализации, вычисление квадратов модулей отсчетов преобразования Фурье в каждом канале, отличающийся тем, что на первом этапе одновременно во всех каналах осуществляют следующую обработку принятых временных реализаций независимо для каждого канала:

– определяют упорядоченных по убыванию максимальных значений квадратов модулей отсчетов преобразования Фурье и соответствующие им порядковые номера , =0…N-1, где t=0…Т-1, N – число отсчетов преобразования Фурье; при этом выбирают исходя из заданной пропускной способности линии передачи данных;

– последовательно для каждого спектрального отсчета с порядковым номером определяют сигнальную область , образованную отсчетами с порядковыми номерами , удовлетворяющими условию

где - количество спектральных отсчетов преобразования Фурье, соответствующее априорно известной максимальной ширине полосы сигналов ИРИ;

запоминают порядковые номера отсчетов, соответствующих данной сигнальной области, для последующей передачи отсчетов в аппаратуру совместной обработки,

– повторяют действия предыдущего пункта, исключая из рассмотрения отсчеты, соответствующие определенной на предыдущем шаге сигнальной области, до тех пор, пока суммарное количество выбранных отсчетов не превысит предельно допустимое значение, соответствующее предельной пропускной способности линии передачи данных;

на следующем, втором, этапе отсчеты с каждого канала, соответствующие выбранным сигнальным областям, передают в аппаратуру совместной обработки, где по каждому из них формируют решающую статистику адаптивного пространственно-многоканального обнаружения, по результатам сравнения которой с порогом, выбранным в соответствии с критерием Неймана-Пирсона, принимают окончательное решение о принадлежности спектрального отсчета к сигналу.