Обнаружитель сигналов

 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в составе приемных радиолокационных и связных устройств, функционирующих в условиях воздействия узкополосных негауссовских помех, при обнаружении слабых сигналов. Сущность изобретения состоит в том, что к известному устройству обнаружения радиосигналов со случайной начальной фазой, содержащее два квадратурных фазовых детектора, фазовращатель, два дискретизатора, два квадратора, сумматор, устройство вычисления квадратного корня и пороговое устройство дополнительно подключены блок обработки сигналов, в котором производится выбор алгоритма обработки принимаемых цифровых отсчетов и блок адаптации, в котором вырабатывается адаптивное значение порога срабатывания порогового устройства на основе динамической оценки параметров распределения огибающей помехи. Технический результат - повышение вероятности правильного обнаружения слабых радиосигналов на фоне узкополосных негауссовских шумов и повышение помехозащищенности. 1 ил.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в составе приемных радиолокационных и связных устройств, функционирующих в условиях воздействия узкополосных негауссовских помех, при обнаружении слабых сигналов.

Известное оптимальное устройство (Обработка сигналов в радиотехнических системах. Под ред. А.П.Лукошкина. - Ленинград: ЛГУ, 1987, с. 18-20) обнаружения радиосигналов в условиях воздействия узкополосных гауссовских помех, содержащее два квадратурных фазовых детектора, фазовращатель опорного напряжения, два дискретизатора, два квадратора, сумматор, устройство вычисления квадратного корня и пороговое устройство, в общем случае не является оптимальным при аддитивном воздействии узкополосных негауссовских помех. Кроме того, фиксация порога в условиях нестационарной помехи, уменьшает эффективность обнаружения полезных сигналов - в частности, вероятность ложной тревоги меняется при изменении дисперсии помехи, что является существенным недостатком обнаружителей такого вида.

Техническим результатом изобретения является повышение вероятности правильного обнаружения слабых радиосигналов на фоне узкополосных негауссовских шумов и повышение помехозащищенности систем радиосвязи и радиолокации.

Сущность изобретения состоит в том, что к известному устройству обнаружения сигналов со случайной начальной фазой, состоящему из первого и второго квадратурного фазового детекторов, фазовращателя опорного напряжения, первого и второго дискретизаторов, первого и второго квадраторов, первого сумматора, первого блока вычисления квадратного корня из суммы значений отсчетов и порогового устройства, причем вход обнаружителя сигналов соединен с первым входом первого и второго квадратурного фазового детекторов, на второй вход первого фазового детектора подается опорное напряжение от генератора опорного напряжения, на второй вход второго фазового детектора подается опорное напряжение с выхода фазовращателя на 90^o, выход первого и второго фазового детектора соединен с входом первого и второго дискретизатора соответственно, выход первого и второго дискретизатора соединен с входом первого и второго квадратора соответственно, выход первого и второго квадратора соединен с первым и вторым входом первого сумматора соответственно, выход первого сумматора соединен с входом первого блока вычисления квадратного корня, выход которого подключается к пороговому устройству известного обнаружителя, подключается блок обработки сигналов, состоящий из трех ОЗУ, пяти коммутаторов режима обработки, трех накопителей, блока нелинейного безинерционного преобразования (БНП), двух квадраторов, сумматора, трех перемножителей, причем выход первого дискретизатора подключен к входу первого ОЗУ, выход второго дискретизатора подключен к входу второго ОЗУ, выход первого блока вычисления квадратного корня подключается к входу третьего ОЗУ, выходы первого, второго и третьего ОЗУ соединены с входами первого, второго и третьего коммутаторов режима обработки соответственно, первый выход первого коммутатора и выход первого перемножителя подключен к входу первого накопителя, первый выход второго коммутатора и выход второго перемножителя подключен к входу второго накопителя, первый выход третьего коммутатора подключен к входу третьего накопителя, вторые выходы первого и второго коммутаторов подключены к первому входу первого и второго перемножителя соответственно, второй выход третьего коммутатора и выход третьего накопителя соединены с первым входом блока нелинейного безинерционного преобразования (БНП), выход которого подключен к вторым входам первого и второго перемножителей и к входу четвертого коммутатора, выходы первого и второго накопителя подключены к входу третьего и четвертого квадратора соответственно, выход третьего и четвертого квадратора соединен с первым и вторым входом второго сумматора соответственно, выход второго сумматора подключен к входу второго блока вычисления квадратного корня блока обработки сигналов, выход второго блока вычисления квадратного корня соединен с входом пятого коммутатора, первый выход которого соединен с первым входом третьего перемножителя, второй вход третьего перемножителя подключен к выходу четвертого коммутатора, выход третьего перемножителя и второй выход пятого коммутатора соединен с первым входом порогового устройства известного обнаружителя, и блок адаптации, состоящий из блоков вычисления первого, второго и четвертого моментов, первого и второго квадраторов блока адаптации, блока вычисления отношения квадрата второго момента к четвертому моменту, блока вычисления отношения квадрата первого момента к второму моменту, блока вычисления коэффициентов α и с, блока вычисления дисперсии, блоков вычисления параметров β,μ и порога h, порогового устройства с постоянным уровнем срабатывания, причем входы блоков вычисления первого, второго и четвертого моментов подключены к выходу первого блока вычисления квадратного корня известного обнаружителя, выход блока вычисления четвертого момента соединен с входом блока вычисления отношения квадрата второго момента к четвертому, выход блока вычисления второго момента соединен с входом первого квадратора блока адаптации, с первым входом блока вычисления дисперсии, первым входом блока вычисления отношения квадрата первого момента к второму моменту и первым входом блока вычисления параметра β, выход блока вычисления первого момента соединен с входом второго квадратора блока адаптации, выход первого квадратора блока адаптации соединен с вторым входом блока вычисления отношения квадрата второго момента к четвертому моменту, выход второго квадратора блока адаптации соединен с вторым входом вычислителя отношения квадрата первого момента к второму моменту и вторым входом блока вычисления дисперсии, выход блока вычисления отношения квадрата второго момента к четвертому моменту соединен с вторым входом блока вычисления параметров α и с, первый вход которого соединен с выходом блока вычисления отношения квадрата первого момента к второму моменту, выход блока вычисления параметров α и с подключен к входу порогового устройства блока адаптации, второму входу блока вычисления параметра β, первому входу блока вычисления параметра μ и второму входу блока нелинейного безинерционного преобразования (БНП) блока обработки сигналов, выход блока вычисления параметра β соединен с вторым входом блока вычисления параметра μ и третьим входом блока нелинейного безинерционного преобразования блока обработки сигналов, выход блока вычисления дисперсии соединен с третьим входом блока вычисления параметра μ и первым входом блока вычисления адаптивного порога h, выход блока вычисления параметра μ соединен с вторым входом блока вычисления порога h, выход порогового устройства блока адаптации соединен с входами "a" управления коммутаторами режимов обработки блока обработки сигналов, выход блока вычисления адаптивного порога h соединен с вторым входом порогового устройства известного устройства обнаружения, выход порогового устройства известного обнаружителя сигналов является выходом устройства обнаружения сигналов.

На чертеже представлена блок-схема устройства. Устройство состоит из первого 1 и второго 2 квадратурных фазовых детекторов, фазовращателя 3 на π/2, первого 4 и второго 5 дискретизаторов, первого 6 и второго 7 квадраторов, первого сумматора 8, первого блока вычисления квадратного корня 9, блока обработки сигналов, состоящего из первого ОЗУ 10, второго ОЗУ 11 и третьего ОЗУ 12, первого 13, второго 14, третьего 15, четвертого 20 и пятого 27 коммутатора режима обработки, первого 21, второго 22 и третьего 16 накопителя, блока нелинейного безинерционного преобразования 17 (БНП), первого 18, второго 19 и третьего 28 перемножителя, второго сумматора 25, третьего 23 и четвертого 24 квадратора, второго устройства вычисления квадратного корня 26 блока обработки сигналов, порогового устройства 29 известного обнаружителя сигналов и блока адаптации, состоящего из блока 32 вычисления первого момента, блока 31 вычисления второго момента, блока 30 вычисления четвертого момента, первого 34 и второго 35 квадраторов, блока 33 вычисления отношения квадрата второго момента к четвертому, блока 36 вычисления параметров α и с, блока 37 вычисления отношения квадрата первого момента к второму моменту, блока 38 вычисления значения дисперсии, порогового устройства 39 с постоянным порогом срабатывания 1,5, которое управляет работой коммутаторов режима обработки блока обработки по линии "а", блока 40 вычисления параметра β, блока 41 вычисления параметра μ, блока 42 вычисления адаптивного порога h для порогового устройства 29 известного обнаружителя сигналов.

Принцип функционирования устройства обнаружения следующий. Результаты статистического синтеза устройств обнаружения сигналов на фоне негауссовских помех показывают, что кроме накопления сигнала, осуществляемого корреляционно фильтровыми каналами, существенным элементом оптимальной обработки является нелинейное преобразование, которое зависит от одномерного распределения помехи.

Флуктуации огибающей A(t) узкополосной помехи с большой степенью достоверности могут быть описаны выражением для ПРВ (Карпов И. Г., Галкин Е.А. Вероятностные модели флуктуаций радиолокационных сигналов. Радиотехника. - 1998, - N 3 - с. 73 - 77) вида: где α > 0, c > 0 - параметры формы; β > 0 - параметр масштаба; Г(•) - гамма-функция.

При параметрической априорной неопределенности помеховой обстановки неопределенность заключается в неизвестных параметрах распределения огибающей помехи, от которых зависит конкретный вид плотности распределения вероятности (ПРВ) огибающей помехи. При малом отношении сигнал/помеха на входе устройства параметры α и с ПРВ (1) огибающей помехи могут быть оценены с высокой точностью с помощью метода моментов решением системы из двух нелинейных уравнений: где m[А¹] , m[А²], m[А⁴] - первый, второй и четвертый начальные моменты распределения огибающей.

Параметр β можно получить из выражения: Таким образом, возможно построить такой нелинейный преобразователь, в котором характеристика определяется оцененными параметрами огибающей помехи. Кроме того, эти параметры позволяют вычислить порог обнаружения, который будет адаптивно изменяться в соответствии с изменением помеховой обстановки. Величина адаптивного порога h определяется по критерию Неймана-Пирсона: где P_лт - вероятность ложной тревоги; - параметр обнаружения; σ²_п - дисперсия помехи; μ - коэффициент улучшения, определяемый соотношением
если α + с > 1.

Устройство работает следующим образом. Аддитивная смесь узкополосной помехи и полезного сигнала

где s(t) - полезный сигнал; n(t) - помеха; A(t), Φ (t) - функции, медленно меняющиеся по сравнению с cosω₀t, подается на схему получения квадратурных составляющих, собранную на фазовых детекторах 1,2 и фазовращателе 3. Предполагается, что отношение сигнал/помеха на входе очень малое, что представляет наибольший практический интерес.

Квадратурные компоненты на выходах фазовых детекторов при наличии сигнала
x(t) = x_ξ(t)+x_s(t); y(t) = y_ξ(t)+y_s(t) (7)
и при отсутствии сигнала
x(t) = x_ξ(t); y(t) = y_ξ(t),
где x_ξ(t) , x_s(t) и y_ξ(t) , y_s(t) - квадратурные компоненты помехи и сигнала соответственно.

С выходов фазовых детекторов квадратурные компоненты x(t) и y(t) подаются на соответствующие входы дискретизаторов 4 и 5. Интервал дискретизации процессов x(t) и y(t) выбирается в соответствии с теоремой отсчетов, исходя из ширины спектра сигнальных компонент x_s(t), y_s(t). Тогда отсчеты x_ξk, y_ξk будут некоррелированы с x_ξ1, y_ξ1 , при k ≠ 1.

С выходов дискретизаторов 4 и 5 квадратурные компоненты x(t) и y(t) подаются на схему выделения огибающей, собранную на блоках 6, 7, 8, 9.

Если некоррелированные пары отсчетов x_ξk, y_ξk независимы, то схема соединений блока обработки реализует алгоритм

где


- амплитудная характеристика безинерционного нелинейного преобразования (БНП), определяемая видом одномерного распределения огибающей помехи; h - адаптивный порог; α , с и β - параметры одномерного распределения огибающей помехи ( α > 0, с > 0 - параметры формы, β > 0 - параметр масштаба одномерного распределения огибающей помехи).

При зависимых отсчетах помехи схема соединений блока обработки сигналов реализует алгоритм (9), отличный от (8):

где

При определенной схожести алгоритмов (8) и (9), их основное отличие друг от друга состоит в том, что нелинейная обработка при независимых отсчетах помехи производится до операции накопления, а при зависимых отсчетах - после операции накопления.

Квадратурные компоненты и огибающая входной выборки задерживается на время вычисления параметров ( α , с, β ) и подстройки характеристики Z(A) БНП 17 в ОЗУ 10, 11 и 12 соответственно.

Для реализации алгоритма (8) в блоке обработки коммутаторы 13, 14 подключают к соответствующим выходам ОЗУ 10 и 11 первые входы перемножителей 18 и 19 соответственно, а коммутатор 15 подключает к выходу ОЗУ 12 - первый вход БНП 17. На второй вход перемножителей 18 и 19 поступают результаты нелинейного преобразования от БНП 17. С выходов перемножителей 18 и 19 преобразованные квадратурные компоненты подаются на входы сумматоров-накопителей 21 и 22 соответственно. Результат накопления с выходов сумматоров-накопителей 21 и 22 подается на входы квадраторов 23 и 24 соответственно, и с их выходов на первый и второй входы сумматора 25 соответственно, с выхода сумматора 25 результат вычисления поступает на вход второго блока 26 вычисления квадратного корня из суммы отсчетов блока обработки сигналов. Коммутатор 27 соединяет выход второго вычислителя 26 квадратного корня с первым входом порогового устройства 29 известного устройства обнаружения.

При реализации алгоритма (9), коммутаторы 13, 14 и 15 подключают к выходам ОЗУ 10, 11, 12 входы сумматоров- накопителей 21, 22, 16 соответственно. При этом на первый вход БНП подается результат накопления с выхода сумматора-накопителя 16. Так же, как и в первом случае, результат накопления с выходов сумматоров-накопителей 21 и 22 подается на входы квадраторов 23 и 24 соответственно, и с их выходов - на первый и второй входы сумматора 25 соответственно, с выхода сумматора 25 - на второй блок вычисления квадратного корня 26 блока обработки сигналов. Коммутатор 20 соединяет выход БНП 17 с вторым входом третьего перемножителя 28, первый вход перемножителя 28 подключен к выходу второго блока вычисления квадратного корня 26 с помощью пятого коммутатора режима обработки 27. С выхода перемножителя 28 результаты обработки поступают на первый вход порогового устройства 29 известного устройства обнаружения.

На входы "а" коммутаторов 13, 14, 15, 20, 27 с выхода порогового устройства блока адаптации подается сигнал управления, определяющий режим работы коммутаторов, и, следовательно, порядок соединения элементов схемы блока обработки для реализации либо алгоритма (8), либо алгоритма (9).

На второй и третий управляющие входы БНП 17 с соответствующих выходов блока адаптации подаются значения вычисленных параметров α, с и β. По этим параметрам происходит адаптация амплитудной характеристики Z(A) БНП 17.

На управляющий второй вход порогового устройства 29 с выхода блока вычисления порога блока адаптации подается вычисленное значение адаптивного порога обнаружения h.

Код выборки огибающей входного сигнала с выхода первого блока вычисления квадратного корня 9 подается на входы блоков 30, 31 и 32 оценки 4-го, 2-го и 1-го начальных моментов блока адаптации соответственно, и записывается в оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 12. На выходе блока 32 блока адаптации получаем величину m[x¹], на выходе блока 31 - величину m[x²], на выходе блока 30 - величину m[x⁴] следующим образом:



На выходе делителя 37 блока адаптации формируется коэффициент K2, а на выходе делителя 33 формируется коэффициент K1.

Коэффициенты K1 и K2, вычисленные по N значениям выборки p, с выходов делителей 33 и 37 поступают на входы вычислителя 36 параметров α, с. Вычисленные параметры α, с подаются на вход порогового устройства блока адаптации 39, второй вход вычислителя 40 параметра β, первый вход вычислителя 41 параметра μ (коэффициента улучшения) и на второй управляющий вход БНП 17 блока обработки сигналов. На первый вход вычислителя 40 параметра β подается величина m[x²] с выхода блока оценки 31. На выходе вычислителя 40 формируется значение параметра в соответствии с выражением (3). Параметр β с выхода вычислителя 40 подается на второй вход вычислителя 41 параметра μ и третий управляющий вход БНП 17 блока обработки сигналов. На третий вход вычислителя 41 параметра μ и первый вход вычислителя порога 42 подается значение дисперсии σ²_п огибающей помехи, сформированное на выходе вычислителя 38, как результат воздействия на его входы величин m[x²] и (m[x¹])² с выходов блока оценки 31 и квадратора 35 соответственно, σ²_п = m[x²]-(m[x¹])² . На выходе вычислителя 41 формируется значение коэффициента улучшения μ в соответствии с выражением (5). Коэффициент μ поступает на второй вход блока вычислителя 42 порога обнаружения h. На выходе вычислителя 42 формируется адаптивный порог обнаружения h в соответствии с выражением (4). Порог h с выхода вычислителя 42 поступает на второй управляющий вход порогового устройства 29 известного обнаружителя. Выход порогового устройства 29 является выходом устройства обнаружения.

Эффективность изобретения выражается в повышении помехозащищенности радиолокационных и радиосвязных систем в сложной помеховой обстановке и при малых отношениях сигнал - помеха за счет выбора оптимального алгоритма обработки смеси сигнала и негауссовского шума и вычисления оптимальной величины порогового уровня h для порогового устройства известного обнаружителя сигналов.

Формула изобретения

Обнаружитель сигналов, состоящий из первого и второго квадратурных фазовых детекторов, фазовращателя, первого и второго дискретизаторов, первого и второго квадраторов, первого сумматора, блока вычисления квадратного корня и порогового устройства, причем на первый вход первого и второго квадратурных фазовых детекторов подается входной сигнал со случайной начальной фазой и узкополосная помеха, на второй вход первого квадратурного фазового детектора подается опорное напряжение от генератора опорного напряжения, на второй вход второго квадратурного фазового детектора подается опорное напряжение с выхода фазовращателя на 90^o, выходы первого и второго квадратурных фазовых детекторов соединены с входами первого и второго дискретизатора соответственно, выходы первого и второго дискретизаторов соединены соответственно с входами первого и второго квадраторов, выходы первого и второго квадраторов подключены к входам первого сумматора, выход первого сумматора подключен к входу блока вычисления квадратного корня, отличающийся тем, что к нему дополнительно подключен блок обработки сигналов, состоящий из трех ОЗУ, пяти коммутаторов режима обработки, трех накопителей, двух квадраторов, блока нелинейного безынерционного преобразования, трех перемножителей, причем вход первого ОЗУ подключен к выходу первого дискретизатора, вход второго ОЗУ подключен к выходу второго дискретизатора, выход блока вычисления квадратного корня подключается к входу третьего ОЗУ, выходы первого, второго и третьего ОЗУ соединены с входами первого, второго и третьего коммутаторов режима обработки соответственно, первый выход третьего коммутатора режима обработки подключен к входу третьего накопителя, вторые выходы первого и второго коммутаторов подключены к первым входам первого и второго перемножителей соответственно, второй выход третьего коммутатора и выход третьего накопителя соединены с первым входом блока нелинейного безынерционного преобразования, выход которого подключен к вторым входам первого и второго перемножителей и к входу четвертого коммутатора, первый выход первого коммутатора и выход первого перемножителя подключены к входу первого накопителя, первый выход второго коммутатора и выход второго перемножителя подключены к входу второго накопителя, выходы первого и второго накопителей подключены к входам третьего и четвертого квадратора соответственно, выходы третьего и четвертого квадраторов соединены соответственно с первым и вторым входами второго сумматора, выход второго сумматора подключен к входу устройства вычисления квадратного корня блока обработки сигналов, выход которого соединен с входом пятого коммутатора, первый выход которого соединен с первым входом третьего перемножителя, второй вход третьего перемножителя подключен к выходу четвертого коммутатора, выход третьего перемножителя и второй выход пятого коммутатора соединены с первым входом порогового устройства, и блок адаптации, состоящий из трех блоков вычисления первого, второго и четвертого моментов, первого и второго квадраторов блока адаптации, блока вычисления отношения квадрата второго момента к четвертому моменту, блока вычисления отношения квадрата первого момента к второму моменту, блока вычисления параметров α и с, где α и с - параметры одномерного распределения огибающей помехи, блока вычисления дисперсии, трех блоков вычисления параметров βμ и порога h, где β - параметр одномерного распределения огибающей помехи, μ - коэффициент улучшения, порогового устройства с постоянным уровнем срабатывания, причем входы блоков вычисления первого, второго и четвертого моментов подключены к выходу блока вычисления квадратного корня, выход блока вычисления четвертого момента соединен с входом блока вычисления отношения квадрата второго момента к четвертому моменту, выход блока вычисления второго момента соединен входом первого квадратора блока адаптации, с входом блока вычисления дисперсии, с входом блока вычисления отношения квадрата первого момента к второму и первым входом блока вычисления параметра β, выход первого квадратора блока адаптации соединен с вторым входом блока вычисления отношения квадрата второго момента к четвертому моменту, выход второго квадратора блока адаптации соединен с вторым входом блока вычисления отношения квадрата первого момента к второму моменту, выход блока вычисления отношения квадрата второго момента к четвертому моменту соединен с первым входом блока вычисления параметров α и с, второй вход которого соединен с выходом блока вычисления отношения квадрата первого момента к второму, выход блока вычисления параметров α и с подключен к входу порогового устройства блока адаптации, второму входу блока вычисления параметра β, входу блока вычисления параметра μ и второму входу блока нелинейного безынерционного преобразования блока обработки сигналов, выход блока вычисления параметра β соединен с вторым входом блока вычисления параметра μ и третьим входом блока нелинейного безынерционного преобразования блока обработки сигналов, выход блока вычисления дисперсии подключен к второму входу блока вычисления порога блока адаптации, на третий вход блока вычисления параметра μ подается значение дисперсии огибающей помехи, сформированное на выходе блока вычисления дисперсии в результате воздействия на его входы величин второго момента и квадрата первого момента с выходов блока вычисления второго момента и второго квадратора соответственно, выход блока вычисления параметра μ подключен к первому входу блока вычисления порога h блока адаптации, выход блока вычисления порога h подключен к второму входу порогового устройства, выход порогового устройства блока адаптации соединен с входами управления коммутаторами режимов обработки блока обработки сигналов, выход порогового устройства является выходом обнаружителя сигналов.

РИСУНКИ

Рисунок 1