Ранговый обнаружитель

 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для обнаружения сигналов на фоне помех. Цель изобретения состоит в снижении потерь рангового обнаружителя в величине порогового сигнала при использовании выборок малого объема из наблюдаемой смеси сигнала и шума. Ранговый обнаружитель содержит вычислитель 1 рангов, m компараторов 2, n запоминающих блоков 3 ранговых векторов, блок ИЛИ 4. Сущность изобретения состоит в том, что предложенное устройство осуществляет сравнение наблюдаемого рангового вектора непосредственно с каждым из фиксированных известных векторов, вероятности реализации которых при условии наличия сигнала имеют наибольшие значения. Предложенное устройство можно использовать в радиолокационных, радионавигационных связных системах. 1 ил.

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в радиолокационных, радионавигационных и связных системах для обнаружения сигналов известной формы на фоне помех. Цель изобретения состоит в снижении потерь рангового обнаружителя в величине порогового сигнала при использовании выборок малого объема из наблюдаемой смеси сигнала и шума. Для достижения цели в ранговый обнаружитель, содержащий вычислитель рангов, вход которого является входом устройства, введены m компараторов, m запоминающих блоков ранговых векторов, имеющих наибольшие вероятности реализации при наличии сигнала, блок ИЛИ, при этом первые входы m компараторов объединены и соединены с выходом вычислителя рангов, вторые входы m компараторов подключены к выходу соответствующих запоминающих блоков ранговых векторов, а выходы m компараторов подключены к соответствующим входам блока ИЛИ, выход которого является выходом устройства. Сущность изобретения состоит в том, что предложенное устройство осуществляет сравнение наблюдаемого рангового вектора R_у непосредственно с каждым из фиксированных известных векторов R_k, где k1,m, вероятности реализаций которых при условии наличия сигнала имеют наибольшие значения. Это позволяет избежать применения используемой в прототипе операции вычисления ранговой статистики и связанных с этой операцией потерь информации, неизбежно возникающих при переходе от многомерного рангового вектора к одномерной статистике. Каждый из векторов R_k представляет собой определенную перестановку чисел от 1 до n. Если векторы R_k, с которыми производится сравнение наблюдаемого вектора R_у, имеют наибольшие вероятности реализации при наличии сигнала и, кроме того, число m этих векторов связано с заданным значением вероятности ложной тревоги соотношением F то предложенное устройство реализует оптимальное ранговое правило обнаружения и, следовательно, обеспечивает наибольшую среди всех ранговых обнаружителей вероятность обнаружения сигнала при фиксированном уровне ложных тревог. Вычисление вероятности реализации произвольного вектора R_k может быть выполнено численными методами на основе использования известных процедур. Эти вычисления не связаны с работой устройств и могут быть выполнены заранее путем оценки значений интеграла P_к(R_к) W₁[y⁽¹⁾] W₂[y⁽²⁾] W_n[y⁽ⁿ⁾]dy⁽ⁿ⁾...dy⁽¹⁾ где y⁽¹⁾,y⁽ⁿ⁾ вектор порядковых статистик наблюдаемой выборки y₁,y_n, полученный путем расположения элементов наблюдаемой выборки в порядке возрастания: W₁[y⁽¹⁾]W_n[y⁽ⁿ⁾] плотности распределения вероятности наблюдаемой выборки, соответствующие порядковым статистикам. Существует другой способ вычисления вероятности реализации ранговых векторов, основанный на использовании формулы Хефдинга. Результаты вычислений и позволяют отобрать из всех возможных реализаций R_у те m реализаций R_k, для которых P_k(R_k) максимальны. Вышеуказанная совокупность признаков не известна из патентной и технической литературы в радиотехнике и, следовательно, обладает новизной. Среди известных материалов не обнаружены технические решения, позволяющие снизить потери рангового обнаружителя до потенциального предела, обеспечиваемого оптимальным ранговым правилом, при малом объеме выборки. Это позволяет считать, что предложенное техническое решение дает положительный эффект и обладает существенными отличиями. На чертеже приведена структурная электрическая схема предложенного устройства. Ранговый обнаружитель содержит вычислитель 1 рангов, вход которого является входом устройства, m компараторов 2, m запоминающих устройств 3 ранговых векторов R₁,R_m, имеющих наибольшие вероятности реализации при наличии сигнала, блок ИЛИ 4. Первые входы m компараторов 2 соединены с выходом вычислителя 1 рангов, вторые входы m компараторов 2 подключены к выходам m запоминающих устройств 3, а выходы m компараторов 2 соединены с m входами блока ИЛИ 4, выход которого является выходом устройства. Вычислитель рангов может быть реализован с помощью известных схемных решений. Техническая реализация компараторов 2, запоминающих устройств 3 и блока ИЛИ 4 общеизвестна. В каждом из запоминающих устройств 3 хранится одно значение рангового вектора R_k (R_k1,R_kn), вычисленное заранее при проектировании обнаружителя, которое может быть представлено в виде многоразрядного числа. Размерность этого числа определяется произведением количества элементов в выборке n на число разрядов q(n), необходимое для представления одного элемента рангового вектора в принятой системе счисления, такую же размерность имеют и числа, представляющие ранговые векторы R_у и R_k. Многоразрядные компараторы сравнивают числа одинаковой размерности, представляющие векторы R_у и R_k. При использовании двоичной системы счисления многоразрядные компараторы 2 и m-входовый блок ИЛИ 4 реализуются на типовых элементарных ячейках И,ИЛИ и НЕ очевидным образом. Ранговый обнаружитель работает следующим образом. Выборка из смеси сигнала и шума Y(y₁,y_n) с выхода приемника радиолокационной станции или другой информационной системы (на чертеже не показан) поступает на вход вычислителя 1 рангов. Путем, например, попарного сравнения элементов или другими известными способами в вычислителе рангов осуществляется вычисление рангов R_y1,R_yn элементов наблюдаемой выборки, совокупность которых образует ранговый вектор R_y. Этот вектор с помощью m компараторов 2 сравнивается с каждым из m постоянных векторов, образующих набор R₁,R_m. В состав этого набора включены векторы R_k, реализация которых при наличии сигнала имеет наибольшую вероятность. При совпадении наблюдаемого вектора R_y с одним из векторов набора R₁,R_m на выходе соответствующего компаратора 2 возникает отклик, который через блок ИЛИ 4 вызывает отклик и на выходе всего устройства, свидетельствующий о наличии сигнала на входе. Ввиду того, что набор R_k, k 1,m, содержит векторы, реализация которых при наличии сигнала наиболее вероятна, предложенный ранговый обнаружитель является наилучшим среди всех ранговых обнаружителей. Величина выигрыша, достигаемого при его использовании, зависит от вида обнаружителя, с которым производится сравнение, характеристик сигнала и помехи, объема выборки и других факторов. Так, например, расчетами на ЭВМ было установлено, что в задаче обнаружения линейно возрастающего сигнала на фоне аддитивного гауссовского шума при объеме выборки n 5 потери оптимального рангового обнаружителя по сравнению с оптимальным (в классе всех возможных) линейным обнаружителем составляют от 4-7 (F 0,008, вероятность обнаружения D 0,1-0,9) до 0,6-1,2 дБ (F 0,25, D 0,3-0,9). Указанные потери во многих случаях оказываются вполне приемлемыми для практики, при этом целесообразность применения рангового обнаружителя обуславливается наличием фиксации уровня ложных тревог в широких классах распределений помех и его повышенной устойчивостью к изменениям законов распределения действующих помех. В то же время известные ранговые обнаружители, как уже отмечалось, при малом объеме выборки имеют значительно большие потери и для их снижения до приемлемого уровня требуют увеличения объема выборки до 60-80 элементов.

Формула изобретения

Ранговый обнаружитель, содержащий вычислитель рангов, вход которого является входом устройства, отличающийся тем, что, с целью снижения потерь в величине порогового сигнала при использовании выборки малого объема, в него введены m компараторов, m запоминающих блоков ранговых векторов, блок ИЛИ, при этом первые входы m компараторов объединены и соединены с выходом вычислителя рангов, вторые входы m компараторов подключены к выходу соответствующих запоминающих блоков ранговых векторов, а выходы m компараторов подключены к соответствующим входам блока ИЛИ, выход которого является выходом устройства.

РИСУНКИ

Рисунок 1