Способ обнаружения узкополосного радиосигнала

 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в радиопеленгаторах, системах разнесенного приема, функционирующих в условиях помех неизвестной интенсивности. Техническим результатом является обнаружение узкополосных радиосигналов при неизвестной интенсивности шума с вероятностью правильного обнаружения не хуже 0.9 при вероятности ложной тревоги не более 10^-2-10^-3 и отношении сигнал/шум не менее 5-7. Способ заключается в приеме сигнала с помощью двухканального приемного устройства, каналы которого настроены на частоту сигнала, амплитудном детектировании и накоплении квадратов огибающей сигнала каждого из каналов в течение всего времени наблюдения, при этом одновременно дополнительно получают и накапливают произведение огибающей сигнала каналов приема, накопленное значение возводят в квадрат, делят на произведение накопленных значений квадратов огибающей сигнала каналов приема и сравнивают с порогом, величину которого устанавливают исходя из допустимого уровня ложной тревоги и количества некоррелированных отсчетов сигнала, определяемого как произведение времени наблюдения на ширину спектра сигнала. 3 ил.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в радиопеленгаторах, системах разнесенного приема, функционирующих в условиях помех неизвестной интенсивности.

Известен способ обнаружения сигнала с неизвестной амплитудой и фазой, включающий прием сигнала, измерение его амплитуды, например, с применением корреляционной обработки квадратурных составляющих и определением модуля корреляционного интеграла, сравнение измеренного значения амплитуды с порогом. [В.Г.Репин, Г.П.Тартаковский. Статистический синтез при априорной неопределенности и адаптация информационных систем. М.: Сов. радио, 1977, с.291].

Способ не применим при неизвестной интенсивности шума, необходимой для установки порога. Неопределенность относительно интенсивности шума не обеспечивает заданную вероятность ложной тревоги, значение которой может меняться на три порядка и более [А.П.Трифонов, В.И.Костылев. Энергетическое обнаружение узкополосных радиосигналов на фоне шума с неизвестной интенсивностью. Известия вузов. Радиофизика. Т. XLV, 2002, с.540]. Более того, без дополнительной информации о сигнале и шуме, оптимальное статистическое решение задачи обнаружения сигнала с неизвестной амплитудой и фазой в шуме неизвестной интенсивности принципиально невозможно.

Так, известен способ обнаружения, включающий прием сигнала, периодическое измерение его амплитуды, накопление результатов измерений, сравнение накопленной амплитуды с порогом, который устанавливают на основе оценки дисперсии шума по измеренным отсчетам амплитуды сигнала [Патент РФ №2173468, G 01 S 7/292, 2001 г.].

К недостаткам данного способа следует отнести ограниченность области применения диапазоном низких значений отношения сигнал/шум, менее одной сотой, о чем должна иметься априорная информация. Кроме того, помеха на входе должна быть заведомо не гауссовской, а иметь меньшую информационную неопределенность (энтропию).

Известен способ обнаружения узкополосных радиосигналов на фоне шума с неизвестной интенсивностью, включающий прием сигнала, измерение его амплитуды, сравнение измеренного значения с порогом, причем интенсивность шума, необходимая для установки порога, измеряется до начала процесса обнаружения сигнала [А.П.Трифонов, В.И.Костылев. Энергетическое обнаружение узкополосных радиосигналов на фоне шума с неизвестной интенсивностью. Известия вузов. Радиофизика. Т. XLV, 2002, с.538-547].

Недостаток способа связан с дополнительными затратами на измерение интенсивности шума. Кроме того, последовательный характер процессов измерения интенсивности шума и обнаружения сигнала не позволяет его использовать при нестационарном характере шума.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ обнаружения узкополосного радиосигнала, включающий прием сигнала с помощью двухканального приемного устройства, каналы которого настроены на частоту сигнала, фазовое детектирование сигнала, принятого одним из каналов, с использованием в качестве опорного - сигнала второго канала и этого же сигнала сдвинутого по фазе на 90°, амплитудное детектирование с получением огибающей сигнала в каждом из каналов, накопление результатов фазового детектирования и квадрата огибающей сигнала в каждом канале в течение всего времени наблюдения, суммирование накопленных квадратов огибающей сигнала и удвоенного модуля накопленных результатов фазового детектирования, сравнение полученной суммы с порогом, значение которого устанавливают по известной интенсивности шума [В.Г.Репин, Г.П.Тартаковский. Статистический синтез при априорной неопределенности и адаптация информационных систем. М.: Сов. радио, 1977, с.381-385].

Способ не применим при неизвестной интенсивности шума, необходимой для установки порога. Кроме того, неидентичность каналов приема по амплитуде и фазе также приводит к дестабилизации уровня ложной тревоги.

Задачей данного изобретения является обеспечение обнаружения сигнала в шуме неизвестной, на момент наблюдения, интенсивности, в том числе, при неидентичности каналов приема.

Это достигается тем, что в известном способе обнаружения узкополосного радиосигнала, заключающемся в приеме сигнала с помощью двухканального приемного устройства, каналы которого настроены на частоту сигнала, амплитудном детектировании и накоплении квадратов огибающей сигнала каждого из каналов в течение всего времени наблюдения, одновременно дополнительно получают и накапливают произведение огибающей сигнала каналов приема, накопленное значение возводят в квадрат, делят на произведение накопленных значений квадратов огибающей сигнала каналов приема и сравнивают с порогом, величину которого устанавливают исходя из допустимого уровня ложной тревоги и количества некоррелированных отсчетов сигнала, определяемого как произведение времени наблюдения на ширину спектра сигнала.

Сопоставительный анализ заявленного решения с прототипом показывает, что предложенный способ отличается от известного наличием, во-первых, новых действий над сигналом: дополнительно получают и накапливают произведение огибающей сигнала каналов приема, накопленное значение возводят в квадрат, во-вторых, новых условий осуществления действий: над результатами накопления для последующего сравнения с порогом, при установке порога - исходя из количества некоррелированных отсчетов сигнала.

При изучении других известных технических решений в данной области техники указанная совокупность признаков, отличающая изобретение от прототипа, не была выявлена.

Результаты статистического синтеза обнаружителя сигнала на фоне шумов при неопределенности о фазе, амплитуде сигнала, дисперсии шума, комплексных коэффициентах передачи приемных трактов показывают, что, кроме накопления квадратов огибающей сигнала каналов приема (прототип), существенной операцией оптимальной обработки является получение и накопление произведения огибающей сигнала каналов приема. Решающая статистика, определяемая в этом случае как отношение квадрата накопленного произведения огибающей сигнала к произведению накопленных значений квадратов огибающей сигнала каналов приема, инвариантна к интенсивности шума и коэффициентам передачи приемных трактов. Физической основой наличия оптимального статистического решения служит увеличение до двух числа каналов приема и наличие априорной информации о постоянстве коэффициента усиления трактов приема за время наблюдения.

Именно использование свойства постоянства соотношения амплитуд сигнала в каналах приема, в соответствии с предложенными новыми действиями над сигналом и условиями их осуществления, позволяет выполнять обнаружение при неизвестной интенсивности шума и различии коэффициентов усиления каналов приема.

На фиг.1 приведена структурная схема устройства, реализующего предложенный способ, на фиг.2 - гистограмма распределения решающей статистики, на фиг.3 - характеристики обнаружения.

Устройство, реализующее предложенный способ, содержит два приемных канала, в каждый из которых входит приемная антенна 1.1, 1.2, приемник 2.1, 2.2 и амплитудный детектор 3.1, 3.2, соединенные последовательно. Кроме того, устройство содержит: дискретизатор 4, квадраторы 5.1, 5.2, 5.3, умножители 6.1, 6.2, накапливающие сумматоры 7.1, 7.2, 7.3, делитель 8 и пороговый элемент 9. Выходы приемников 1.1, 1.2, через дискретизатор 4 подключены к квадраторам 5.1, 5.2 и к умножителю 6.1. Выходы квадраторов 5.1, 5.2 и умножителя 6.1 подключены к накапливающим сумматорам соответственно 7.1, 7.2, 7.3. Выход накапливающего сумматора 7.2 через квадратор 5.3 подключен к первому входу делителя 8, ко второму входу которого подключен выход умножителя 6.2, входы которого подключены к выходам накапливающих сумматоров 7.1, 7.3. Выход делителя 8 подключен к входу порогового элемента 9, выход которого является выходом устройства.

Постоянная времени амплитудных детекторов 3.1, 3.2 устанавливается исходя из условия некоррелированности отсчетов сигнала в соответствии с теоремой отсчетов (Котельникова): τ=1/2F, где F - полоса пропускания радиоприемных устройств, согласованная с шириной спектра сигнала. Дискретизатор 4 обеспечивает отсчет некоррелированных значений огибающей сигнала в каналах приема с периодом τ. Значение порога в элементе 9 фиксированное, устанавливается вне зависимости от интенсивности шума исходя из заданной вероятности ложной тревоги и количества некоррелированных отсчетов сигнала за все время наблюдения Т, то есть: N=T/2F=T/τ.

В вариантном исполнении, например, применительно к фазовым пеленгаторам, антенная система содержит больше двух антенн. В этом случае устройство дополняется антенным коммутатором, обеспечивающим подключение к приемникам пары антенн, в соответствии с алгоритмом функционирования пеленгатора. Подключение антенн осуществляется синхронно с получением отсчетов в дискретизаторе.

Принцип функционирования устройства следующий.

Обнаруживаемый узкополосный радиосигнал принимают антеннами 1.1, 1.2, преобразуют и усиливают в приемниках 2.1, 2.2.

Шумы на входе каналов приема гауссовского типа независимы, имеют одинаковую дисперсию, что характерно для однотипных приемных устройств и антенн. На интервале наблюдения Т коэффициент усиления по амплитуде не изменяется, но может различаться для первого и второго каналов приема из-за неидентичности антенн или приемных устройств. Коэффициент передачи по фазе постоянен на интервале дискретизации τ и изменяется между циклами дискретизации, например, вследствие различия фазовых набегов сигнала в антеннах пеленгатора или наличия небольшой частотной расстройки гетеродинов и соответственно частоты сигнала на выходе приемных устройств.

Тогда напряжение на выходе приемников 2.1, 2.2 представляет собой аддитивную смесь полезного сигнала и шумов, которую на интервалах дискретизации τ(n-1)<t<τn, где n=1, 2,..., N - номер цикла дискретизации, можно представить в следующем виде:

где - полезный сигнал и шумы на входе приемников в n-м цикле дискретизации;

k, φ_n - коэффициенты передачи второго канала по амплитуде и фазе, нормированные относительно первого канала.

В амплитудных детекторах 3.1, 3.2 принятая смесь (1) преобразуется в последовательность некоррелированных значений огибающей сигнала каналов приема:

Здесь значения комплексных корреляционных интегралов определяются соотношениями:

где f₀ - частота сигнала на выходе приемных устройств.

Совокупность значений корреляционных интегралов (3) описывается нормальным законом распределения:

где σ² - дисперсия шума на входе приемных каналов в полосе частот F.

По завершении интервала nτ, полученные (2) значения огибающей через дискретизатор 4 подают на последующую обработку. Существо обработки определяется результатами статистического синтеза на основе выражения (4) и предусматривает следующие операции над значениями огибающей:

значения огибающей S_n, R_n возводят в квадрат (блоки 5.1, 5.2) и накапливают (в сумматорах 7.1,7.3);

одновременно эти же значения перемножают в умножителе 6.1 и накапливают в сумматоре 7.2.

На завершающей стадии обработки с применением квадратора 5.3, умножителя 6.2 и делителя 8 получают решающую статистику Z, которую в блоке 9 сравнивают с порогом С:

Решение о наличии сигнала (гипотезу H₁) принимают по превышении порога.

Значение порога устанавливают фиксированным вне зависимости от дисперсии шума и коэффициентов усиления трактов приема, исходя из заданной вероятности ложной тревоги по критерию Неймана-Пирсона:

где W(Z) - плотность вероятности решающей статистики (в отсутствии на входе полезного сигнала).

В соответствии с результатами анализа, решающая статистика имеет β-распределение:

где Г(х) - гамма-функция;

х=1/4ρ;

I_v(x) - модифицированная функция Бесселя v-го порядка;

ρ - отношение сигнал/шум на выходе приемных каналов (амплитуды сигнала к среднему квадратичному значению шума).

При наличии сигнала, когда ρ>0, формула (7) соответствует варианту приемников с одинаковым усилением k=1.

Пример гистограммы w(Z) распределения величины Z, полученной в результате моделирования, показан на фиг.2 для количества циклов дискретизации N=9. Сплошная линия - при отсутствии сигнала на входе (ρ=0), пунктирная - при отношении сигнал/шум, равном 5. Из фиг.2 видны существенные различия статистических свойств величины Z при наличии и отсутствии сигнала, что и служит основой принятия решения в пороговом элементе 9.

Из формул (6), (7) и фиг.2 видно, что в отсутствии сигнала решающая статистика Z определяется только числом измерений N, следовательно, и порог обнаружения зависит только от данного параметра и допустимой вероятности ложной тревоги, что упрощает процедуру его практического расчета и установки.

Эффективность изобретения выражается в обеспечении обнаружения узкополосных сигналов при неизвестной интенсивности шума в каналах приема, за счет реализации оптимального способа обработки радиосигналов.

Вероятность правильного обнаружения предлагаемым способом определяется выражением, аналогичным (6):

где W(Z) - плотность вероятности решающей статистики при наличии полезного сигнала, когда ρ>0.

Характеристики обнаружения, обеспечиваемые предлагаемым способом при N=9 и рассчитанные по формулам (7), (8), показаны на фиг.3 в виде зависимости D от ρ. Сплошная линия соответствует вероятности ложной тревоги 10^-2 (С=0.914), а пунктирная - вероятности ложной тревоги 10^-3 (С=0.954). Из представленных результатов видно, что способ обеспечивает эффективное, с вероятностью не менее 0.9, обнаружение узкополосного радиосигнала в шумах неизвестной интенсивности при типичных для условий функционирования известных пеленгаторов отношениях сигнал/шум, больших 5-7. Дополнительным преимуществом способа относительно прототипа является относительное его упрощение вследствие исключения операций фазового детектирования и последующей обработки результатов детектирования.

Формула изобретения

Способ обнаружения узкополосного радиосигнала, заключающийся в приеме сигнала с помощью двухканального приемного устройства, каналы которого настроены на частоту сигнала, амплитудном детектировании и накоплении квадратов огибающей сигнала каждого из каналов в течение всего времени наблюдения, отличающийся тем, что одновременно дополнительно получают и накапливают произведение огибающей сигнала каналов приема, накопленное значение возводят в квадрат, делят на произведение накопленных значений квадратов огибающей сигнала каналов приема и сравнивают с порогом, величину которого устанавливают исходя из допустимого уровня ложной тревоги и количества не коррелированных отсчетов сигнала, определяемого как произведение времени наблюдения на ширину спектра сигнала.

РИСУНКИРисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3