Устройство комплексирования разнотипных обнаружителей флюктуирующего по амплитуде и фазе сигнала Российский патент 2025 года по МПК G01S7/02 G01S7/292 G01S13/02 

Предлагаемое изобретение относится к технике радиолокации и может быть использовано в радиоэлектронных системах для решения задачи обнаружения сигналов.

Известна комплексная система обнаружения (КСО), оптимизированная на этапе вторичной обработки сигнала [Сосулин Ю.Г. Теоретические основы радиолокации и радионавигации. - М.: Радио и связь, 1992, С. 298, рис. 8.3]. КСО (устройство) содержит N объединяемых обнаружителей и умножителей, сумматор и пороговое устройство. Каждый обнаружитель представляет собой согласованный фильтр и пороговое устройство и формирует предварительное (частное) решение о наличии или отсутствии сигналов путем сравнения с порогом корреляционного интеграла, поступающего с выхода согласованного фильтра на пороговое устройство. Частные решения поступают на входы умножителей и после домножения на соответствующие весовые коэффициенты поступают на входы сумматора. На выходе сумматора формируется решающая статистика, поступающая на вход порогового устройства, которое после ее сравнения с заданным порогом вырабатывает общее решение о наличии или отсутствии сигнала.

Недостатком такого устройства является то, что оно проигрывает в отношении сигнал/шум КСО, оптимизированной на этапе первичной обработки. Например, при комплексировании двух одинаковых обнаружителей детерминированного сигнала на фоне белого гауссовского шума с F=10^-4, D=0,9 проигрыш составляет 1,6 дБ, а с ростом количества объединяемых обнаружителей проигрыш увеличивается [Сосулин Ю.Г. Теоретические основы радиолокации и радионавигации. - М.: Радио и связь, 1992 С. 300].

Также известно комплексное устройство обнаружения в многопозиционной радиолокационной станции [патент RU 2556710, приоритет от 24.01.2014, патентообладатель Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военная академия воздушно-космической обороны имени Маршала Советского Союза Г.К. Жукова" Министерства обороны Российской Федерации]. Принцип функционирования устройства основан на формировании решающей статистики в виде суммы логарифмов отношения апостериорных вероятностей наличия и отсутствия сигнала последующим сравнением ее с порогом. Апостериорная вероятность наличия сигнала (Р_i) рассчитываются по формуле:

где - энергия полезного сигнала,

τ - длительность полезного сигнала,

s(t) - полезный детерминированный сигнал на входе обнаружителя,

N₀ - спектральная плотность мощности шума,

- корреляционный интеграл на выходе i-го

обнаружителя, ξ_i (t) - наблюдаемый процесс на входе i-го обнаружителя.

Данная КСО эквивалентна по отношению сигнал/шум на ее выходе КСО, оптимизированной на уровне первичной обработки сигнала. Недостатком данного устройства является его применимость только для обнаружения детерминированных сигналов. При этом свойства реальных сигналов адекватнее описываются квазидетерминированными моделями, учитывающими флюктуации амплитуды и фазы сигнала на интервале наблюдения.

Известна КСО, оптимизированная на уровне первичной обработки сигнала, реализованная в многопозиционных радиолокационных станциях (МПРЛС) при децентрализованном обнаружении [Черняк B.C. Многопозиционная радиолокация. - М.: Радио и связь, 1993, С. 156], когда по линиям передачи данных в центр обработки информации (ЦОИ) передаются корреляционные интегралы, сформированные всеми позициями МПРЛС, а решение о наличии или отсутствии сигнала принимается только в ЦОИ после суммирования этих корреляционных интегралов и сравнения полученной суммы с порогом. В случае превышения порога принимается решение о наличии сигнала, в противном случае - об отсутствии сигнала.

Принцип функционирования аналогичной КСО, оптимизированной на этапе первичной обработки, изложен в [Сосулин Ю.Г. Теоретические основы радиолокации и радионавигации. - М.: Радио и связь, 1992, С. 299]. Устройство содержит набор согласованных фильтров и умножителей (по числу N объединяемых обнаружителей), сумматор и пороговое устройство. Аналоговые сигналы, поступающие на входы согласованных фильтров, после их прохождения и домножения на весовые коэффициенты преобразуются в корреляционные интегралы которые в виде аналоговых реализаций поступают на входы сумматора. На выходе сумматора формируется решающая статистика поступающая на вход порогового устройства, которое после ее сравнения с заданным порогом вырабатывает решение о наличии или отсутствии сигнала.

По техническому решению наиболее близким к предлагаемому устройству комплексирования разнотипных обнаружителей флюктуирующего по амплитуде и фазе сигнала является устройство, аналогичное предыдущему [Сосулин Ю.Г. Теоретические основы радиолокации и радионавигации. - М.: Радио и связь, 1992, С. 299]. Устройство является многоканальным, содержит пороговое устройство с двумя входами и выходом, сумматор, входы которого подключены к соответствующим выходам каналов устройства, каждый из которых содержит последовательно соединенные согласованный фильтр, умножитель на нормировочный коэффициент и линию передачи данных, второй вход порогового устройства является входом сигнала порогового уровня, а выход является выходом устройства. При этом выход сумматора подключен к первому входу порогового устройства; на второй вход порогового устройства поступает сигнал порогового уровня. Сигнал порогового уровня формируется разово исходя из требований к вероятности ложной тревоги обнаружения сигнала.

Устройство реализует алгоритм оптимального по критерию Неймана-Пирсона комплексирования обнаружителей на этапе первичной обработки, который заключается в сравнении с порогом следующей решающей статистики:

где y_it - детерминированный сигнал на входе /-го обнаружителя в момент времени - время наблюдения,

N_0i - спектральная плотность мощности шума i-го обнаружителя,

s(t) - опорный сигнал.

При таком объединении N одинаковых обнаружителей детерминированного сигнала, в случае отсутствия внешних помех и независимости шумов в обнаружителях, отношение сигнал/шум на выходе КСО увеличивается в N раз по сравнению с одним обнаружителем [Сосулин Ю.Г. Теоретические основы радиолокации и радионавигации. - М.: Радио и связь, 1992, С. 299]. Такой же эффект от комплексирования будет наблюдаться при обнаружении детерминированного сигнала на фоне помех, при условии, что помехи на входах обнаружителей полностью коррелированы между собой и имеют одинаковую дисперсию.

Однако, если объединяются разнотипные обнаружители, функционирующие на различных физических принципах (например, радиолокатор и оптико-электронная система наблюдения), то на входах объединяемых обнаружителей наблюдаются процессы, включающие флюктуирующие по амплитуде и фазе полезные сигналы и слабокоррелированные помехи. Причем возможна ситуация, когда на вход одного обнаружителя поступает только помеха, а на вход другого - смесь полезного сигнала и помехи. В этом случае отношение сигнал/шум на выходе сумматора рассмотренной КСО будет уступать отношению сигнал/шум на выходе согласованного фильтра обнаружителя, на вход которого поступает смесь сигнала и помехи, что и является недостатком устройства-прототипа.

Техническая проблема изобретения состоит в создании устройства, которое расширяет функциональные возможности известной КСО по обнаружению флюктуирующих по амплитуде и фазе сигналов.

Технический результат заключается в устранении недостатка устройства-прототипа, а именно для любого соотношения сигналов на входах объединяемых обнаружителей повышение отношения сигнал/шум на входе порогового устройства комплексной системы обнаружения до уровня не хуже, чем максимальное отношение сигнал/шум на выходах объединяемых обнаружителей при соблюдении требований к вероятности ложной тревоги.

Поставленная задача и указанный технический результат достигаются тем, что в устройство комплексирования разнотипных обнаружителей флюктуирующего по амплитуде и фазе сигнала, являющееся многоканальным, содержащее пороговое устройство с двумя входами и выходом, сумматор, входы которого подключены к соответствующим выходам каналов устройства, каждый из которых содержит последовательно соединенные согласованный фильтр, умножитель на нормировочный коэффициент и линию передачи данных, второй вход порогового устройства является входом сигнала порогового уровня, а выход является выходом устройства, согласно изобретения в устройство дополнительно введен функциональный преобразователь, а в каждом канале в линию передачи данных добавлен второй выход, подключенный к соответствующим входам функционального преобразователя, отдельный вход которого подключен к выходу сумматора, первый выход функционального преобразователя подключен к первому входу порогового устройства, второй выход функционального преобразователя подключен ко второму входу порогового устройства, при этом функциональный преобразователь выполнен с возможностью выбора адаптивного к соотношению частных решающих статистик разнотипных обнаружителей, входящих в устройство, формирования итоговой решающей статистики и порогового уровня, обеспечивающего требуемую вероятность ложной тревоги.

Достижение технического результата реализуется за счет адаптивного к соотношению частных решающих статистик разнотипных обнаружителей, входящих в устройство, формирования итоговой решающей статистики и порогового уровня, обеспечивающего требуемую вероятность ложной тревоги

Изобретение поясняется блок-схемой устройства, представленной на чертеже, где 1 - согласованный фильтр, 2 - умножитель на нормировочный коэффициент, 3 - линия передачи данных, 4 - сумматор, 5 - пороговое устройство, 6 - функциональный преобразователь.

Устройство является N-канальным (по числу объединяемых обнаружителей), причем каждый канал содержит согласованный фильтр 1, выход которого подключен к первому входу умножителя 2, а на второй вход умножителя 2 подают значение нормировочного коэффициента, выход умножителя 2 подключен к входу линии передачи данных 3. Первый выход линии передачи данных 3 подключен к соответствующему входу сумматора 4, а второй выход линии передачи данных 3 подключен к соответствующему входу функционального преобразователя 6. Выход сумматора 4 подключен к отдельному (N+1)-мy входу функционального преобразователя 6. Функциональный преобразователь 6, N входов которого подключены ко вторым выходам линий передачи данных 3 каждого канала соответственно, отдельный (N+1)-й вход подключен к выходу сумматора 4, первый выход функционального преобразователя 6 подключен к первому входу порогового устройства 5, а второй выход подключен ко второму входу порогового устройства 5, на который поступает сигнал порогового уровня.

Устройство реализует алгоритм оптимального по критерию Неймана-Пирсона комплексирования обнаружителей на этапе первичной обработки, который заключается в сравнении с порогом итоговой решающей статистики и работает следующим образом.

Рассмотрим двухканальную (по числу объединяемых обнаружителей) КСО. При наличии на входе каждого из входящих в устройство обнаружителей флюктуирующего по амплитуде и фазе сигнала плотность вероятности величины z_i на их выходах описывается распределением Релея с дисперсией измененной в результате воздействия сигнала в раз дисперсия шума). Рассматриваемый случай флюктуации амплитуды относится к классу медленных флюктуаций, соответствующих 1 модели Сверлинга. Плотность вероятности z_i при отсутствии (P_n(z_i)) и наличии (P_СП(z_i)) цели имеет вид [Ширман Я.Д. Теоретические основы радиолокации. - М.: Советское радио, 1970, С. 162]:

Плотность распределения суммарного сигнала на входе порогового устройства комплексирования при наличии (р_сп__KCО(z_KCО)) и отсутствии цели (р_п__KCО(z_KCО)) имеет распределение, представляющее собой композицию (свертку) соответствующих распределений z₁,z₂;.

Причем форма кривой р_сп__ксо(z_ксо) зависит от соотношения энергии сигналов от цели, поступающих на вход обнаружителей.

В соответствии с теоремой о свертке плотность распределения величины z_kco рассчитывается по формуле:

где - прямое и обратное преобразование Фурье соответственно,

ξ - гипотеза о наличии (ξ=1) и отсутствии (ξ=0) цели.

Для дискретных значений z преобразования осуществляются известными численными методами [Лайнос Р. Цифровая обработка сигналов. - М: ООО «Бином-Пресс», 2006, С. 63].

Известно, что критерием оптимального обнаружения сигнала является критерий отношения правдоподобия L(z). Отношение правдоподобия представляет собой отношение плотностей вероятности одной и той же реализации наблюдаемого процесса при двух условиях: когда действует сигнал и помеха (p_сп(z)) и когда действует только помеха (p_п{z)) [Ширман Я.Д. Теоретические основы радиолокации. -М.: Советское радио, 1970, С. 90].

Решение о наличии сигнала принимается, если отношение правдоподобия превышает пороговую величину L_п (h). Величина h выбирается по заданному уровню вероятности ложной тревоги F (по критерию Неймана-Пирсона):

Отношения правдоподобия (решающая статистика) на выходах обнаружителей (L(z_]),L(z₂)), входящих в состав устройства, и на выходе сумматора (L(z_ксо)) имеют вид:

Выражения для расчета L(z₁), L(z₂) с учетом (1) могут быть преобразованы к виду:

где суммарная дисперсия помехи и шума на входах первого и второго обнаружителей соответственно.

Пороговые значения L_п(h₁), L_п(h₂), L_п(h_KCО) определяются для рассчитанных по формуле (4) h₁, h₂, h_ксо соответственно:

Причем с учетом пороговые значение h₁, h₂ могут быть получены соответственно из выражений:

Пороговое значение h_ксo может быть получено путем численного интегрирования функции P_{п_КСО}(z_КСО).

Выражения для расчета L_п(h₁), L_п(h₂) с учетом (1) аналогично могут быть преобразованы к виду:

Для сравнения между собой решающих статистик (5) при наличии на выходах обнаружителей сигналов z₁ и x₂, а на входе сумматора КСО соответственно z_KCО⁼z₁+z₂, показателем текущего качества объединяемых обнаружителей может являться соотношение текущего отношения правдоподобия к пороговому:

Тогда оптимальное комплексирование разнотипных обнаружителей флюктуирующего по амплитуде и фазе сигнала будет реализовано при использовании в пороговом устройстве кортежа из решающей статистики и порогового уровня, обеспечивающих максимальное значение величины Δ(z):

Причем такой критерий выбора итоговой решающей статистики и порогового значения будет обеспечивать максимальную вероятность правильного обнаружения сигнала при заданной вероятности ложной тревоги.

Обобщая полученные результаты на КСО, включающую N обнаружителей, необходимо учесть, что в канале суммирования должно быть сформировано кортежей из частных решающих статистик и соответствующих им пороговых значений, каждый из которых характеризует вариант суммирования сигналов обнаружителей. Тогда выражение (133) преобразовывается к виду:

где порядковый номер величины Δ(z_j) в последовательности всех возможных ее значений из элементов, расположенных в лексикографическом порядке.

Работа устройства заключается в следующем.

Рассмотрим работу первого канала устройства, поскольку каналы идентичны. Аналоговый входной сигнал y_li в состав которого входит полезный сигнал со случайной амплитудой и фазой, а также помеха и собственный шум обнаружителя с суммарной дисперсий поступает на вход согласованного фильтра 1, с выхода которого в момент окончания наблюдения t=Т в виде корреляционного интеграла поступает на первый вход умножителя 2, на второй вход которого поступает значение нормировочного коэффициента Результат перемножения (z₁=х₁⋅μ₁,) с выхода умножителя 2 поступает на вход линии передачи данных 3, первый выход которой соединен с соответствующим входом сумматора 4, а второй - с первым входом функционального преобразователя 6. Также по линии передачи данных 3 на первый вход функционального преобразователя 6 поступает значение дисперсии шума

Аналогично с i-го канала на i-й вход сумматора 4 и i-й вход функционального преобразователя 6 через линию передачи данных 3 поступает сигнал z_i=x_i⋅μ_;i. Также по линии передачи данных 3 на i-й вход функционального преобразователя 6 передается значение дисперсии шума

В канале суммирования формируется вариантов сложения входных сигналов и результаты суммирования с выхода сумматора 4 поступают на отдельный (N+1)-й вход функционального преобразователя 6.

В функциональном преобразователе 6 осуществляется преобразование входных значений в итоговую решающую статистику и пороговое значение Преобразование осуществляется по формулам (1-14) в следующем порядке. По формулам (1-3) вычисляются плотности распределения суммарного сигнала при наличии и отсутствии цели. В соответствии с (4) и (9) определяются пороговые значения, на основании которых в соответствии с выражениями (8, 10, 11) вычисляются пороговые значения отношений правдоподобия. Далее по формулам (5-7) находятся отношения правдоподобия. Для рассчитанных значений в соответствии с (12) вычисляются соотношения текущих отношений правдоподобия к пороговым и, в соответствии с (14), формируется итоговая решающая статистика и пороговое значение обеспечивающее требуемую вероятность ложной тревоги.

Итоговая решающая статистика с первого выхода функционального преобразователя 6 поступает на первый вход порогового устройства 5, а пороговое значение обеспечивающее требуемую вероятность ложной тревоги, со второго выхода функционального преобразователя 6 поступает на второй вход порогового устройства 5. В зависимости от результата сравнения пороговое устройство 5 формирует общее решение θ в виде 1 (если порог превышен - сигнал есть) или 0 (порог не превышен - сигнала нет).

Соответственно, дополнив устройство-прототип функциональным преобразователем, на вход которого будут поступать сигналы с N каналов обнаружения и их сумма, а на выходе будут формироваться адаптивные к ним решающая статистика и пороговый уровень, возможно повысить для любого соотношения сигналов на входах объединяемых обнаружителей отношение сигнал/шум на входе порогового устройства комплексной системы обнаружения до уровня не хуже, чем максимальное отношение сигнал/шум на выходах объединяемых обнаружителей при соблюдении требований к вероятности ложной тревоги.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое многоканальное устройство отличается от прототипа тем, что в общую часть устройства введен функциональный преобразователь, в каждом канале в линию передачи данных добавлен второй выход, а также их связи с другими элементами устройства.

Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что вновь введенные элементы известны. Однако при их введении в указанной связи с остальными элементами в заявляемое устройство оно проявляет новые свойства, что приводит к повышению отношения сигнал/шум на выходе устройства. Это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию «существенные отличия».

Результаты испытаний модели показали для любого соотношения сигналов на входах объединяемых обнаружителей повышение отношения сигнал/шум при обнаружении флюктуирующего по амплитуде и фазе сигнала на входе порогового устройства комплексной системы обнаружения до уровня не хуже, чем максимальное отношение сигнал/шум на выходах объединяемых обнаружителей при соблюдении требований к вероятности ложной тревоги.

Источники, принятые во внимание при описании изобретения:

1. Сосулин Ю.Г. Теоретические основы радиолокации и радионавигации. -М: Радио и связь, 1992.

2. Черняк В.С. Многопозиционная радиолокация. - М.: Радиоисвязь, 1993.

3. Ширман Я.Д. Теоретические основы радиолокации. Учебное пособие для вузов. - М.: Советское радио, 1970.

4. Комплексное устройство обнаружения в многопозиционной радиолокационной станции: пат. 2556710 Рос. Федерация № 2014102448/07, заявл. 24.01.2014; опубл. 20.07.2015, Бюл. № 20.

5. Лайнос Р. Цифровая обработка сигналов. - М.: ООО «Бином-Пресс», 2006.

Изобретение относится к технике радиолокации и может быть использовано в радиоэлектронных системах для решения задачи обнаружения сигналов. Техническим результатом является повышение отношения сигнал/шум на входе порогового устройства комплексной системы обнаружения до уровня не хуже, чем максимальное отношение сигнал/шум на выходах объединяемых обнаружителей при соблюдении требований к вероятности ложной тревоги для любого соотношения сигналов на входах объединяемых обнаружителей. В заявленном устройстве комплексирования разнотипных обнаружителей флюктуирующего по амплитуде и фазе сигнала дополнительно содержится функциональный преобразователь, соединенный с выходами каналов и сумматора, выполненный с возможностью адаптивного к соотношению частных решающих статистик разнотипных обнаружителей, входящих в устройство, формирования итоговой решающей статистики и порогового уровня, обеспечивающего требуемую вероятность ложной тревоги. 1 ил.

Устройство комплексирования разнотипных обнаружителей флюктуирующего по амплитуде и фазе сигнала, являющееся многоканальным, содержащее пороговое устройство с двумя входами и выходом, сумматор, входы которого подключены к соответствующим выходам каналов устройства, каждый из которых содержит последовательно соединенные согласованный фильтр, умножитель на нормировочный коэффициент и линию передачи данных, второй вход порогового устройства является входом сигнала порогового уровня, а выход является выходом устройства, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит функциональный преобразователь, а в каждом канале в линию передачи данных добавлен второй выход, подключенный к соответствующим входам функционального преобразователя, отдельный вход которого подключен к выходу сумматора, первый выход функционального преобразователя подключен к первому входу порогового устройства, второй выход функционального преобразователя подключен ко второму входу порогового устройства, при этом функциональный преобразователь выполнен с возможностью выбора адаптивного к соотношению частных решающих статистик разнотипных обнаружителей, входящих в устройство, формирования итоговой решающей статистики и порогового уровня, обеспечивающего требуемую вероятность ложной тревоги.