Способ обнаружения сигнала и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к радиотехнике, технической кибернетике, может использоваться при обнаружении слабых сигналов и оценке шумов. Технический результат - повышение вероятности обнаружения. Для этого в способе, заключающемся в дискретизации входного воздействия по времени, дискретизации амплитуды полученных сигналов, формировании последовательности N выборок сигналов, формировании порогового уровня А, пропорционального дисперсии помехи, сравнении сигналов с пороговым уровнем А, выборки сигналов _k в пределах интервала наблюдения формируют как количество сигналов с одинаковыми амплитудами k, причем k = 1 ... N, в конце интервала наблюдения при формировании порогового уровня дисперсию помехи σ² определяют как причем Устройство для обнаружения сигнала содержит дискретизатор сигнала по времени и дискретизатор по уровню, сумматор, первый и второй квадраторы, первый и второй блоки вычитания, пороговый элемент, блок формирования порогового уровня, формирователь номера выборки, второй сумматор, первый и второй коммутаторы, первую схему деления, первый умножитель, третий сумматор, второй умножитель, четвертый сумматор, третий умножитель и вторую схему деления. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к радиотехнике, технической кибернетике, может использоваться при обнаружении слабых сигналов, оценке шумов, а также для предварительной обработки изображений в системах с искусственным интеллектом, измерения фонов.

Известен метод формирования пороговой величины A в пороговых системах обнаружения сигнала на фоне гауссовского белого шума, когда длительность сигнала много меньше его периода, заключающийся в разделении интервала наблюдения T входного воздействия на n равных частей Δt, измерении амплитуды входного воздействия X_i(t) в моменты L₁, i = 1 ... n, в пределах интервала наблюдения суммировании квадратов амплитуд X_i(t), в конце интервала наблюдения вычислении дисперсии помехи σ² как формировании пороговой величины пропорционально σ² в зависимости от вероятности правильного обнаружения сигнала /1, 2/.

Данный метод обладает недостаточным быстродействием. При его реализации в системах обнаружения сигнала для обеспечения требуемой вероятности обнаружения величина n должна быть порядка нескольких сотен и даже тысяч. Ограничения на частотный диапазон и быстродействие вносит минимально возможное значение интервала дискретизации Δt, за который необходимо выполнить определяемые методом операции: пересылки, возведение в квадрат (умножение), суммирование.

Наиболее близким по технической сущности является способ обнаружения узкополосного сигнала, заключающийся в дискретизации входного воздействия по времени, дискретизации амплитуды полученных сигналов, формировании за интервал наблюдения последовательности N выборок путем взятия пар отсчетов входных сигналов с интервалом между отсчетами в паре, равным четверти периода несущей частоты сигнала, формировании величины порога A, пропорционального оценке σ² дисперсии помехи (A = (N-1)σ²), путем вычитания выборок, возведения в квадрат, суммирования полученных величин, в конце интервала наблюдения сравнении сигналов с порогом /3/.

Данным способом невозможно точно определить величину дисперсии помехи, которая необходима при формировании порогового уровня, обеспечивающего заданную вероятность обнаружения сигнала. При дискретизации входного воздействия по времени следует учитывать временные возможности последующих операций вычитания, возведения в квадрат, суммирования, что ограничивает область применения способа достаточно низкими частотами.

Данный способ реализуется обнаружителем узкополосного сигнала, содержащим последовательно соединенные полосовой фильтр, дискретизатор, блок дискретной обработки сигнала, соединенный с первым входом порогового элемента, причем дискретизатор содержит два выхода, каждый из которых соединен с двухвходовым сумматором-накопителем через последовательно соединенные блок попарного вычитания и квадратор, а выход сумматора-накопителя подключен к блоку формирования порогового уровня, соединенного со вторым входом порогового элемента /3/.

Недостатком данного устройства является низкая вероятность обнаружения сигнала, ограниченная область применения.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение вероятности обнаружения за счет более точного определения дисперсии помехи, расширение рабочего частотного диапазона, области возможного применения, в том числе на системы с многоэлементными приемниками, повышение быстродействия.

Поставленная задача достигается тем, что в способе, заключающемся в дискретизации входного воздействия по времени, дискретизации амплитуды полученных сигналов, формировании последовательности N выборок сигналов, формировании порогового уровня A, пропорционального дисперсии помехи, путем суммирования, возведения в квадрат, вычитания, сравнении сигналов с пороговым уровнем A, выборки сигналов B_k в пределах интервала наблюдения формируют как количество сигналов с одинаковыми амплитудами k, причем k = 1 ... N, в конце интервала наблюдения при формировании порогового уровня дисперсию помехи σ² определяют как причем Поставленная задача достигается также тем, что в известном устройстве для обнаружения сигнала, содержащем последовательно соединенные дискретизатор сигнала по времени и дискретизатор по уровню, сумматор, первый и второй квадраторы, первый и второй блоки вычитания, пороговый элемент, ко второму входу которого подключен блок формирования порогового уровня, дополнительно введены формирователь номера выборки, второй сумматор, первый и второй коммутаторы, первая схема деления, последовательно соединенные первый умножитель и третий сумматор, последовательно соединенные второй умножитель и четвертый сумматор, третий умножитель, вторая схема деления, выход которой соединен с блоком формирования порогового уровня, причем выход дискретизатора по уровню соединен с первым входом первого коммутатора, второй вход которого соединен с шиной логической "1", а его выход соединен со входом первого сумматора, выход которого соединен со вторым входом второго коммутатора, выход которого соединен с первым входом второго умножителя, вторым входом первого умножителя и входом второго сумматора, выход которого соединен со входом первого блока вычитания, вторым входом первой схемы деления и вторым входом третьего умножителя, первый вход которого соединен с выходом второго квадратора, а выход - с первым входом второго блока вычитания, второй вход которого соединен с выходом третьего сумматора, а выход - с первым входом второй схемы деления, второй вход которой соединен с выходом первого блока вычитания, первый вход первой схемы деления соединен с выходом четвертого сумматора, а выход - со входом второго квадратора, выход формирователя номера выборки соединен с первым входом второго коммутатора, со вторым входом второго умножителя и входом первого квадратора, выход которого соединен с первым входом первого умножителя, а вход дискретизатора по времени и первый вход порогового элемента подключены к источнику входного воздействия.

Положительный эффект обеспечивается за счет того, что за интервал наблюдения выполняют только операции формирования выборок сигналов, при этом в течение времени, равному шагу дискретизации, выполняют малозатратные операции пересылки и суммирования, что позволяет уменьшить временной шаг дискретизации и значительно расширить частотный диапазон входного воздействия, повысить быстродействие; при формировании порогового уровня суммирование операций вычитания, умножения (возведения в квадрат) производится число раз, равное числу зафиксированных амплитуд N во входном воздействии, а не числу временных дискретов n сигнала по прототипу, этим дополнительно повышается быстродействие, расширяется область применения, в том числе на системы с многоэлементными приемниками, когда N < n; величина дисперсии определяется более точно, что повышает вероятность обнаружения сигнала.

Предлагаемый способ заключается в следующем.

Поступающее входное воздействие X(t) представляет собой сумму сигнала S(t) и гауссовского белого шума h(t). Длительность сигнала τ много меньше его периода. Применительно к сигналам с многоэлементного приемника - площадь искомого объекта < площади поля обзора. Поэтому величину дисперсии помехи определяют как величину дисперсии входного воздействия.

Для достижения требуемой вероятности правильного обнаружения величину порога A, отделяющего S(t) от h(t), в пороговом устройстве устанавливают пропорциональной дисперсии σ² амплитуды X(t):
причем

Для этого входное воздействие X(t) дискретизируют по времени с шагом Δt в последовательности X_i(t) (i = 1 ... n, n - количество дискретизированных значений сигналов X_i(t) за интервал наблюдения T, n = T/Δt) и по амплитуде в последовательности k (k = 1...N, максимальное значение N определяется разрядностью дискретизации).

В течение интервала наблюдения формируют выборки сигналов B_k как количество сигналов с одинаковыми амплитудами k. В конце интервала наблюдения дисперсию помехи σ² определяют как

причем

устанавливают величину A пропорционально σ², сравнивают входное воздействие с пороговым уровнем A.

Так как соотношения (2) и (3) идентичны.

Данное техническое решение поясняется графическим материалом. На чертеже изображена блок-схема устройства, с помощью которого можно реализовать предлагаемый способ.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. При подаче питания все составляющие схемы устанавливаются в исходное состояние, сумматоры обнуляются.

На вход дискретизатора по времени (1) поступает входное воздействие X(t). На выходе блока 1 в моменты времени t_i получаются последовательности X_i(t) сигнала, дискретизированного по времени с шагом Δ t. Дискретизатор по уровням (2) производит разбиение амплитуды X_i(t) на фиксированное число уровней k (k = 1,N), поступающих на адресный (первый) вход первого коммутатора (3). На втором входе (данных) блока (3) присутствует напряжение уровня логической "1". За интервал наблюдения T блок 3 по адресу, равному амплитуде k, в моменты времени t_i увеличивает содержимое соответствующей ячейки первого сумматора (4) на "1", тем самым накапливаются выборки сигналов B_k, в результате чего к концу интервала наблюдения в блоке 4 сформированы сигналы величиной B_k.

По окончании интервала наблюдения T реализуются операции определения величины σ².
При этом с выхода формирователя номера выборки (5) величины k от 1 до K последовательно подаются на второй вход второго умножителя (9), на вход первого квадратора (7), который определяет величину k², поступающую на первый вход первого умножителя (8), и на первый (адресный) вход второго коммутатора (6), который в соответствии с адресом, равным k, подключает сигнал величиной B_k, поступающий с блока 4, к первому входу блока 9, ко второму входу блока 8 и на вход второго сумматора (10). Блок (9) осуществляет перемножение величин сигналов B_k и k. Последовательно соединенный с блоком 9 четвертый сумматор (13) суммирует величины полученных произведений (k • B_k) в диапазоне k (k = 1,N) и формирует тем самым сигнал

поступающий на первый вход первой схемы деления (14).

Блок 10 накапливает сигналы всех выборок, поступающих с выхода блока 6, т. е. определяет величину Эта величина поступает на вход первого блока вычитания (16), где уменьшается на "1", на второй вход третьего умножителя (18), и на второй вход блока 14. На выходе блока 14 формируется сигнал, представляющий собой частное от деления величины на первом входе на величину на втором входе, т.е. математическое ожидание X входного сигнала, поступающее на вход второго квадратора (17), который вычисляет значение X₂ для последующего умножения в блоке (18) на величину n.

Блок 8 вычисляет произведение B_k • k², поступающее на вход третьего сумматора (11), который накапливает сигнал суммы

и передает его на второй вход блока 19. Результатом вычитания в блоке 19 является величина Вторая схема деления (20) находит частное от деления сигнала с первого входа (выход блока 19) на сигнал со второго входа ((n-1) - выход блока 16), т.е. определяет величину дисперсии σ² в соответствии с формулой (3).

В соответствии с требуемой величиной вероятности обнаружения сигнала в блоке формирования порогового уровня (15), последовательно соединенном с блоком 20, определяется значение порогового уровня A, пропорциональное σ², и поступает на второй вход порогового элемента (12), осуществляющего сравнение входного воздействия X(t), поступающего на его первый вход, с порогом A. Появляющиеся на выходе устройства (блока 12) сигналы с заданной вероятностью обнаружения являются сигналом S(t), отделенным данным устройством от шума h(t).

Блоки 1, 4, 7, 10, 11, 12, 13, 15, 16, 17, 19 выполнены аналогично соответствующим блокам прототипа /3/, дискретизатор по уровню (блок 2) - в виде АДП /4/, коммутаторы (блоки 3, 6) могут быть выполнены, например, на МС 561КП2 /5/, формирователь номера выборки (блок 5) - в виде последовательно соединенных генератора тактовых импульсов, выполненного, например, на МС 561ГГ1, и счетчика импульсов, выполненного, например, на МС 561ИЕ10 /5/. Умножители (блоки 8, 9, 18) могут быть выполнены как схемы умножения, аналогично приведенным в /4/. Блоки деления (14, 20) могут быть выполнены как схемы деления, аналогично приведенным в /4/.

Таким образом, использование предлагаемых способа и устройства позволяет при формировании порогового уровня обнаружения более точно определить величину дисперсии помехи, сократить число операций, которые необходимо выполнить в пределах интервала наблюдения за время шага дискретизации входного воздействия, благодаря этому возможно уменьшение временного шага дискретизации.

Предлагаемые способ и устройство повышают вероятность обнаружения, быстродействие, расширяют частотный диапазон и область применения.

Заявляемые способ обнаружения сигнала и устройство для его осуществления проверены с большой эффективностью в комплексе "Клевок".

Источники информации
1. Е.С. Вентцель. Теория вероятностей. М.: Наука, 1964, с. 120-124, 463 - аналог.

2. B.C. Пугачев. Введение в теорию вероятностей. М.: Наука, 1968, с. 67, 68, 108-111, 259, 260 - аналог.

3. А.с. СССР N 510680, кл. G 01 S 7/30, H 04 B 1/10, 1976 - прототип.

4. У. Титце, К. Шенк. Полупроводниковая схемотехника. М.: Мир, 1982.

5. В.Л. Шило. Полупроводниковые цифровые микросхемы. М.: Радио и связь, 1987.

Формула изобретения

1. Способ обнаружения сигнала, заключающийся в дискретизации входного воздействия по времени, дискретизации амплитуды полученных сигналов, формировании последовательности N выборок сигналов, формировании порогового уровня А, пропорционального дисперсии помехи, и сравнении входного воздействия с пороговым уровнем А, отличающийся тем, что выборки сигналов B_k в пределах интервала наблюдения формируют как количество сигналов с одинаковыми амплитудами k, причем k = 1 ... N, в конце интервала наблюдения при формировании порогового уровня дисперсию помехи σ² определяют как

причем


2. Устройство для обнаружения сигнала, содержащее последовательно соединенные дискретизатор сигнала по времени и дискретизатор по уровню, сумматор, первый и второй квадраторы, первый и второй блоки вычитания, пороговый элемент, ко второму входу которого подключен блок формирования порогового уровня, отличающееся тем, что в него введены формирователь номера выборки, второй сумматор, первый и второй коммутаторы, первая схема деления, последовательно соединенные первый умножитель и третий сумматор, последовательно соединенные второй умножитель и четвертый сумматор, третий умножитель, вторая схема деления, выход которой соединен с блоком формирования порогового уровня, причем выход дискретизатора по уровню соединен с первым входом первого коммутатора, второй вход которого соединен с шиной логической "1", а его выход соединен со входом первого сумматора, выход которого соединен со вторым входом второго коммутатора, выход которого соединен с первым входом второго умножителя, вторым входом первого умножителя и входом второго сумматора, выход которого соединен со входом первого блока вычитания, вторым входом первой схемы деления и вторым входом третьего умножителя, первый вход которого соединен с выходом второго квадратора, а выход - с первым входом второго блока вычитания, второй вход которого соединен с выходом третьего сумматора, а выход - с первым входом второй схемы деления, второй вход которой соединен с выходом первого блока вычитания, первый вход первой схемы деления соединен с выходом четвертого сумматора, а выход - со входом второго квадратора, выход формирователя номера выборки соединен с первым входом второго коммутатора, со вторым входом второго умножителя и входом первого квадратора, выход которого соединен с первым входом первого умножителя, а вход дискретизатора по времени и первый вход порогового элемента подключены к источнику входного воздействия.

РИСУНКИ

Рисунок 1