Способ непараметрического обнаружения сигналов

 

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в непараметрических частотно-пространственных обнаружителях сигналов. Технический результат заключается в повышении быстродействия при частотно-пространственном обнаружении сигналов. Способ включает операции: производят прием сигналов радиометрическим способом с разнесением сканирующей диаграммы направленности на ее ширину с одновременной частотно-пространственной обработкой в симметрично расширенном на величину, равную удвоенной ширине диаграммы направленности в пространственном секторе обнаружения, формируют опорные выборки путем отстройки по времени, частоте и направлению прихода, переформируют опорные выборки путем взятия модулей их отсчетов и приведения дисперсий опорных выборок в соседних частотно-пространственных каналах к дисперсии канала обнаружения, при этом коэффициент приведения определяют как корень квадратный от отношения сумм квадратов разнесенных во времени отсчетов опорных выборок соответствующего соседнего частотно-пространственного канала и канала обнаружения, формируют испытуемую выборку путем использования модулей отсчетов, отстоящих на время, соответствующее перемещению сканирующей диаграммы направленности на ее ширину, производят ранжирование по опорным выборкам, вычисляют ранговую статистику и путем сравнения ее с порогом выносят решение об обнаружении. 2 ил.

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в непараметрических частотно-пространственных обнаружителях сигналов.

Известен способ непараметрического обнаружения сигналов, при котором производят прием сигналов с одновременной частотно-пространственной обработкой, формируют опорную выборку путем отстройки по времени и частоте и испытуемую выборку, производят ранжирование по опорной выборке, вычисляют ранговую статистику и путем сравнения ее с порогом выносят решение об обнаружении [В. Ю. Лапий, А.Я. Калюжный, Л.Г. Красный Устройства ранговой обработки информации. Киев, Технiка, 1986 г., стр. 48-50]. Недостатком этого способа является большое время частотно-пространственного обнаружения при малых (порядка 10^-5) вероятностях ложных тревог, равное времени частотно-пространственного поиска, умноженному на число элементов испытуемой выборки. При ограниченности интервалов квазиоднородности помехи из-за ее нестационарности и нарушения изотропности поля помехи в соседних частотных каналах, реальный объем испытуемой выборки не превышает 20...30, что для обеспечения вероятности ложных тревог 10^-5 и менее требует объема испытуемой выборки не менее 4.

Известен также способ непараметрического обнаружения сигналов [там же], принятый за прототип, при котором производят прием сигналов с одновременной частотно-пространственной обработкой, формируют опорную выборку путем отстройки по времени, частоте и направлению прихода и испытуемую выборку, производят ранжирование по опорной выборке, вычисляют ранговую статистику и путем сравнения ее с порогом выносят решение об обнаружении. Недостатком прототипа, как и у аналога, является большое время частотно-пространственного обнаружения, ограниченное требуемым объемом испытуемой выборки, который при вероятности ложных тревог 10^-5 не может быть меньше 2.

Целью настоящего изобретения является повышение быстродействия при частотно-пространственном обнаружении сигналов.

Для достижения поставленной цели предлагается способ непараметрического обнаружения сигналов, при котором производят прием сигналов с одновременной частотно-пространственной обработкой, формируют опорную выборку путем отстройки по времени, частоте и направлению прихода и испытуемую выборку, производят ранжирование по опорной выборке, вычисляют ранговую статистику и путем сравнения ее с порогом выносят решение об обнаружении.

Согласно изобретению, прием сигналов производят радиометрическим способом с разнесением сканирующей диаграммы направленности на ее ширину, симметрично расширяют пространственный сектор обнаружения на величину, равную удвоенной ширине диаграммы направленности, при формировании опорной и испытуемой выборок используют модули их отсчетов, производят переформирование опорной выборки путем приведения дисперсий опорных выборок в соседних частотно-пространственных каналах к дисперсии канала обнаружения, при этом коэффициент приведения определяют как корень квадратный от отношения сумм квадратов разнесенных во времени отсчетов опорных выборок соответствующего соседнего частотно-пространственного канала и канала обнаружения, при формировании испытуемой выборки используются отсчеты, отстоящие на время, соответствующее перемещению сканирующей диаграммы направленности на ее ширину.

Сочетание отличительных признаков и свойства предлагаемого изобретения из литературы неизвестны, поэтому оно соответствует критериям новизны и изобретательского уровня.

На фиг. 1 приведена структурная электрическая схема устройства, реализующего предлагаемый способ; на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие его работу.

При реализации предлагаемого способа выполняется следующая последовательность операций: - производят прием сигналов радиометрическим способом с разнесением сканирующей диаграммы направленности на ее ширину с одновременной частотно-пространственной обработкой в симметрично расширенном на величину, равную удвоенной ширине диаграммы направленности в пространственном секторе обнаружения; - формируют опорные выборки путем отстройки по времени, частоте и направлению прихода; - переформируют опорные выборки путем взятия модулей их отсчетов и приведения дисперсий опорных выборок в соседних частотно-пространственных каналах к дисперсии канала обнаружения, при этом коэффициент приведения определяют как корень квадратный от отношения сумм квадратов разнесенных во времени отсчетов опорных выборок соответствующего соседнего частотно-пространственного канала и канала обнаружения; - формируют испытуемую выборку путем использования модулей отсчетов, отстоящих на время, соответствующее перемещению сканирующей диаграммы направленности на ее ширину; - производят ранжирование по опорным выборкам; - вычисляют ранговую статистику и путем сравнения ее с порогом выносят решение об обнаружении.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит последовательно соединенные антенную систему (АС) 1, радиоприемное устройство (РПУ) 2, параллельное радиоприемное устройство (ПРПУ) 3, N фазовых детекторов (ФД) 4, N фильтров нижних частот (ФНЧ) 5, многоканальный аналого-цифровой преобразователь (МАЦП) 6, N выходов которого через устройство хранения опорной выборки (УХОВ) 7, первое устройство считывания и преобразования опорной выборки (УСПОВ1) 8 и первый блок ранжирования (БР1) 9, а также через устройство хранения сигнальной выборки (УХСВ) 10 и второй блок ранжирования (БР2) 11 связаны с входами сумматора (Σ) 12, выход которого связан с входом порогового устройства (ПУ) 13, выход которого (H₁/H₀) является выходом всего устройства, а также второе устройство считывания и преобразования опорной выборки (УСПОВ2) 14, вход и выход которого связаны с выходом УХОВ 7 и вторым входом БР2 11, генератор частоты сканирования диаграммой направленности (Г) 15, последовательно соединенные устройство управления (УУ) 16 и устройство управления диаграммой направленности (УУДН) 17. При этом выход УУДН 17 соединен с управляющим входом АС 1, выход Г 15 связан со вторыми входами УУДН 17 и N ФД 4, а выходы со второго по девятый УУ 16 соединены, соответственно, с управляющими входами РПУ 2, МАЦП 6, УХОВ 7, УХСВ 10, УСПОВ1 8, УСПОВ2 14, БР1 9, БР2 11, второй выход УХСВ 10 связан со вторым входом БР1 9.

Устройство работает следующим образом. УУ 16 формирует сигнал установки РПУ 2 на первую точку частотного поиска (см. диаграмму 1 на фиг. 2), которая определяется где F_н - начальная частота частотного поиска, ΔF - полоса пропускания каждого канала ПРПУ 3; N - число параллельных каналов ПРПУ 3, при этом полоса пропускания РПУ 2 устанавливается не менее ΔF·N. По прошествию времени, необходимого на установку РПУ 2 на первую точку частотного поиска, УУ 16 передает в УУДН 17 сигнал на установку сканирующего луча диаграммы направленности (ДН) в первую точку пространственного поиска (см. диаграмму 2 на фиг. 2), которая определяется β₁= β_н-Δϕ, где β_н - начальное направление пространственного поиска; Δϕ - ширина ДН по уровню половинной мощности. Сканирование ДН относительно равносигнального направления β₁ осуществляется УУДН 17 с частотой, определяемой Г 15, при этом разнос ДН равен ее ширине. С помощью элементов 1. . .5, 15, 17 построен N-канальный модуляционный приемник обнаружения, амплитуды на выходах которого измеряются с помощью МАЦП 6 в момент времени, соответствующий окончанию накопления сигналов в ФНЧ 5. После этого по сигналу УУ 16 УУДН 17 устанавливает сканирующую ДН АС 1 в следующую точку пространственного поиска β₂= β_н-Δϕ+0,1·Δϕ, отстоящую от предыдущей на одну десятую ширины ДН. При этом для сведения к минимуму энергетических потерь время накопления в ФНЧ 5 выбирается равным половине времени прохождения ширины ДН. Время нахождения сканирующей ДН в первой точке равно времени накопления в ФНЧ 5, а в последующих точках - пятую часть от этого времени. Этот процесс повторяется до полного прохождения пространственного сектора поиска, после чего по сигналу УУ 16 производится установка РПУ 2 на следующую точку частотного поиска, равную
Этот процесс повторяется до полного прохождения частотного сектора поиска. Работа устройства разбивается на два режима: предварительной калибровки, необходимой для накопления опорной выборки и, собственно, обнаружения. При предварительной калибровке производится L циклов частотно-пространственного поиска, при котором производится накопление L временных отчетов амплитуд шумовых выборок в N параллельных и K последовательных частотных каналах и

пространственных каналах, где β_к - конечная точка пространственного поиска. В результате этих действий в УХОВ 7 по сигналам управления записью УУ 16 (см. диаграмму 3 фиг. 2) производится формирование массива калибровочных данных размерностью L х N х K х G. При обнаружении сигнала по командам от УУ 16 производится запись значений сигнальных выборок в УХСВ 10 N параллельных и К последовательных частотных каналов и

пространственных каналов. Для каждого элемента частотно-пространственного разрешения по сигналам управления считыванием от УУ 16 в УХСВ 10 производится формирование двух сигнальных отсчетов, сдвинутых по координате G на 10 отсчетов, при этом координата второго отсчета больше первого. Для каждого сигнального отсчета по сигналам управления от УУ 16 производится перезапись значений опорной выборки из УХОВ 7 в УСПОВ1 8 и УСПОВ2 14. При перезаписи в УСПОВ1 8 и в УСПОВ2 14 производится селекция отсчетов по координатам K и G таким образом, чтобы каждому сигнальному отсчету с координатами (l_с, n_с, k_с, g_с) соответствовали отсчеты опорных выборок с координатами (l_оп = 1, ...,L, n_оп = 1,...,N, k_с, g_оп = g_с - 5, g_с, g_с + 5), при этом для пяти первых сигнальных отсчетов g_оп = g_с, g_с + 5, g_с + 10, а для последних - g_оп = g_с - 10, g_с - 5, g_с. Таким образом, для каждой пары сигнальных отсчетов с координатами l_с, n_с, k_с, g_с - 5) и (l_с, n_с, k_с, g_с) в УСПОВ1 8 и УСПОВ2 14 формируются массивы опорных выборок с размерностью L х N х 3. После записи опорных выборок в УСПОВ1 8 и УСПОВ2 14 производится выравнивание дисперсий в каждом из N х 3 временных каналах к дисперсии того канала, где производится обнаружение. Выравнивание производится путем умножения каждого значения выборки на выравнивающий коэффициент, определяемый как корень квадратный от отношения сумм квадратов разнесенных во времени отсчетов опорных выборок соответствующего частотно-пространственного канала и канала обнаружения. После окончания преобразования опорной выборки в УСПОВ1 8 и УСПОВ2 14 по команде от УУ 16 производится перезапись первой и второй сигнальных выборок с выходов УХСВ 10 и сформированных опорных выборок в БР1 9 и БР2 11, где производится вычисление рангов для соответствующей сигнальной выборки в вариационном ряду, составленном из L х N х 3 опорных выборок и сигнальной выборки, расположенных в порядке возрастания амплитуд. Значения вычисленных рангов суммируются в сумматоре 12 и сравниваются с порогом в ПУ 13. В случае превышения порога выносится решение об обнаружении сигнала H₁, в противном случае - об его отсутствии H₀.

Введение операции приведения дисперсий опорных выборок в соседних частотно-пространственных каналах к дисперсии канала обнаружения позволило по сравнению с прототипом увеличить интервал квазиоднородности помехи и увеличить объем опорной выборки до значений, обеспечивающих вероятность ложной тревоги 10^-5 и менее при объеме выборки, составляющем около 330. Введение операции приема сигналов радиометрическим способом с разнесением сканирующей диаграммы направленности на ее ширину и симметричное расширение пространственного сектора обнаружения на величину, равную удвоенной ширине диаграммы направленности, позволило увеличить объем испытуемой выборки до двух за один частотно-пространственный проход сектора обнаружения и, как следствие, более чем в полтора раза по сравнению с прототипом увеличить быстродействие.

В Ростовском НИИ радиосвязи было проведено статистическое моделирование устройства, реализующего предлагаемый способ. Результаты моделирования полностью подтвердили расчетные характеристики устройства.

Формула изобретения

Способ непараметрического обнаружения сигналов, при котором производят прием сигналов с одновременной частотно-пространственной обработкой, формируют опорные выборки путем отстройки по времени, частоте и направлению прихода и испытуемую выборку, производят ранжирование по опорным выборкам, вычисляют ранговую статистику и путем сравнения ее с порогом выносят решение об обнаружении, отличающийся тем, что прием сигналов производят радиометрическим способом с разнесением сканирующей диаграммы направленности на ее ширину, симметрично расширяют пространственный сектор обнаружения на величину, равную удвоенной ширине диаграммы направленности, при формировании опорных и испытуемой выборок используют модули их отсчетов, производят переформирование опорных выборок путем приведения дисперсий опорных выборок в соседних частотно-пространственных каналах к дисперсии канала обнаружения, при этом коэффициент приведения определяют как корень квадратный от отношения сумм квадратов разнесенных во времени отсчетов опорных выборок соответствующего соседнего частотно-пространственного канала и канала обнаружения, при формировании испытуемой выборки используются отсчеты, отстоящие на время, соответствующее перемещению сканирующей диаграммы направленности на ее ширину.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2