Комплексное устройство обнаружения в многопозиционной радиолокационной станции

Изобретение относится к технике радиолокации, радиосвязи, радионавигации и радиоуправления и может быть использовано в радиоэлектронных системах для решения задачи обнаружения сигналов. Достигаемый технический результат - сокращение объема передаваемой информации и повышение соотношения сигнал/шум на выходе устройства. Сущность изобретения состоит в том, что комплексное устройство является многоканальным и содержит в каждом канале согласованный фильтр, два функциональных преобразователя, выполненных определенным образом, и линию передачи данных, а также содержит сумматор и пороговое устройство. Перечисленные средства соответствующим образом соединены между собой. 2 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к технике радиолокации, радиосвязи, радионавигации и радиоуправления и может быть использовано в радиоэлектронных системах для решения задачи обнаружения сигналов.

Известна оптимальная комплексная система обнаружителей (КСО), реализуемая на этапе первичной обработки сигналов [Сосулин Ю.Г. Теоретические основы радиолокации и радионавигации. - М.: Радио и связь, 1992, С. 299, рис. 8.4]. Система содержит набор согласованных фильтров и умножителей (по числу Т объединяемых обнаружителей), сумматор и пороговое устройство. Аналоговые сигналы, поступающие на входы согласованных фильтров, после их прохождения и домножения на весовые коэффициенты преобразуются в корреляционные интегралы , которые в виде аналоговых реализаций поступают на входы сумматора. На выходе сумматора формируется решающая статистика , поступающая на вход порогового устройства, которое после ее сравнения с заданным порогом вырабатывает решение о наличии или отсутствии сигнала.

Аналогичная КСО имеет место в многопозиционных радиолокационных станциях (МПРЛС) при централизованном обнаружении [Черняк B.C. Многопозиционная радиолокация. - М.: Радио и связь, 1993, С. 155], когда по линиям передачи данных (ЛПД) в центр обработки информации (ЦОИ) передаются корреляционные интегралы, сформированные всеми позициями МПРЛС, а решение о наличии или отсутствии сигнала принимается только в ЦОИ после суммирования этих корреляционных интегралов и сравнения полученной суммы с порогом. В случае превышения порога принимается решение о наличии сигнала, в противном случае - об отсутствии сигнала. Показано, что при таком объединении Т одинаковых обнаружителей, в случае независимости шумов в них, отношение сигнал/шум на выходе КСО увеличивается в T раз по сравнению с одним обнаружителем [Сосулин Ю.Г. Теоретические основы радиолокации и радионавигации. - М.: Радио и связь, 1992, С. 299].

К недостаткам системы можно отнести ее громоздкость и сложность в реализации, особенно в многопозиционной радиолокационной станции, где требуется передавать в ЦОИ реализации корреляционных интегралов, что предъявляет высокие требования к пропускной способности ЛПД.

Значительно проще реализуется оптимизация КСО на этапе вторичной обработки сигналов [Сосулин Ю.Г. Теоретические основы радиолокации и радионавигации. - М.: Радио и связь, 1992, С. 298, рис. 8.3]. Система содержит Т объединяемых обнаружителей и умножителей, сумматор и пороговое устройство. Каждый обнаружитель представляет собой согласованный фильтр и пороговое устройство и формирует предварительное (частное) решение о наличии или отсутствии сигналов путем сравнения с порогом корреляционного интеграла q_t, поступающего с выхода согласованного фильтра на пороговое устройство. Частные решения поступают на входы умножителей и после домножения на соответствующие весовые коэффициенты Q_t поступают на входы сумматора. На выходе сумматора формируется решающая статистика , поступающая на вход порогового устройства, которое после ее сравнения с заданным порогом вырабатывает общее решение о наличии или отсутствии сигнала.

По техническому решению наиболее близким к предлагаемому изобретению является комплексное устройство (система) обнаружения, аналогичное предыдущему и реализованное в МПРЛС при децентрализованной (распределенной) обработке информации [Черняк B.C. Многопозиционная радиолокация. - М.: Радио и связь, 1993, С. 155, 156], когда в каждой позиции принимаются предварительные (частные) решения об обнаружении сигналов путем сравнения корреляционного интеграла с порогом. Эти частные решения передаются по ЛПД в ЦОИ, поступают на входы умножителей и после домножения на соответствующие весовые коэффициенты Q_t поступают на входы сумматора. На выходе сумматора формируется решающая статистика , поступающая на вход порогового устройства, которое после ее сравнения с заданным порогом вырабатывает общее решение о наличии или отсутствии сигнала. Это устройство и выбрано в качестве прототипа.

Блок-схема устройства-прототипа, составленная на основе принципа его работы и структурной схемы рис. 6.1 [Черняк B.C. Многопозиционная радиолокация. - М.: Радио и связь, 1993, С. 156], представлена на фиг. 1.

Устройство является T-канальным (по числу позиций МПРЛС), причем каждый канал содержит:

1 - согласованный фильтр, выход которого подключен ко входу порогового устройства 2;

2 - пороговое устройство, вход которого подключен к выходу согласованного фильтра 1, а второй вход является внешним входом сигнала порогового уровня. Выход порогового устройства 2 подключен к первому входу линии передачи данных (ЛПД) 3;

3 - линию передачи данных, первый вход которой подключен к выходу порогового устройства 2, второй и третий входы являются внешними входами сигналов вероятности ложной тревоги и правильного обнаружения соответственно. Первый выход ЛПД 3 подключен к первому входу блока умножения 5;

4 - блок расчета весового коэффициента (функциональный преобразователь), первый и второй входы которого подключены соответственно ко второму и третьему выходам ЛПД 3. Выход блока 4 подключен ко второму входу блока умножения 5;

5 - умножитель, первый вход которого подключен к первому выходу ЛПД 3, а второй вход - к выходу блока расчета весового коэффициента 4. Выход умножителя 5 каждого из каналов устройства подключен к соответствующему входу сумматора 6.

Сигналы с выходов умножителей 5 поступают в общую часть устройства, которая содержит:

6 - сумматор на Т входов, каждый из которых подключен к выходу соответствующего умножителя 5. Выход сумматора 6 подключен ко входу общего порогового устройства 7;

7 - общее пороговое устройство, вход которого подключен к выходу сумматора 6, второй вход является внешним входом сигнала порогового уровня, а выход является выходом устройства.

Устройство реализует алгоритм оптимального по критерию Неймана-Пирсона комплексирования обнаружителей на этапе вторичной обработки, который заключается в сравнении с порогом следующей решающей статистики [Сосулин Ю.Г. Теоретические основы радиолокации и радионавигации. - М.: Радио и связь, 1992, С. 298]:

где t - номер обнаружителя (или позиции МПРЛС);

Т - количество объединяемых обнаружителей;

; - частные решения объединяемых обнаружителей о наличии сигнала или его отсутствии;

D_t, F_t - вероятности правильного обнаружения и ложной тревоги соответственно;

- весовые коэффициенты .

Устройство работает следующим образом (рассмотрим работу одного t-го канала устройства, поскольку каналы идентичны). Аналоговый входной сигнал ξ_t, в состав которого входит детерминированный сигнал S(t), поступает на вход согласованного фильтра 1, с выхода которого аналоговый сигнал в виде корреляционного интеграла поступает на вход порогового устройства 2, где его значение сравнивается с величиной порога h_t, поступающей на второй вход порогового устройства 2 в качестве внешнего сигнала. В зависимости от результата сравнения пороговое устройство 2 формирует частное решение в виде 1 (если порог превышен - сигнал есть) или 0 (порог не превышен - сигнала нет), которое поступает на первый вход ЛПД 3. На второй и третий входы ЛПД 3 подаются внешние сигналы, соответствующие значениям вероятностей ложной тревоги F_t и правильного обнаружения D_t, которые после передачи их по ЛПД 3 с ее второго и третьего выходов поступают соответственно на первый и второй входы блока расчета весового коэффициента 4 (функционального преобразователя), с выхода которого значение коэффициента поступает на второй вход умножителя 5, на первый вход которого поступает частное решение с первого выхода ЛПД 3. Результат перемножения с выхода умножителя 5 поступает на соответствующий вход сумматора 6. Сформированная в сумматоре 6 решающая статистика с его выхода подается на вход общего порогового устройства 7, где ее значение сравнивается с величиной порога h, поступающей на второй вход общего порогового устройства 7 в качестве внешнего сигнала. В зависимости от результата сравнения общее пороговое устройство 7 формирует общее решение θ^* в виде 1 (если порог превышен - сигнал есть) или 0 (порог не превышен - сигнала нет).

Недостатком прототипа является то, что он проигрывает в отношении сигнал/шум КСО, оптимизированной на этапе первичной обработки. Например, при комплексировании двух одинаковых обнаружителей детерминированного сигнала на фоне белого гауссовского шума с F=10^-4, D=0,9 проигрыш составляет 1,6 дБ; а с ростом количества объединяемых обнаружителей проигрыш увеличивается [Сосулин Ю.Г. Теоретические основы радиолокации и радионавигации. - М.: Радио и связь, 1992, С. 300]. Кроме того, по ЛПД в ЦОИ требуется передавать не только частные решения в виде совокупности нулей и единиц (или только единиц), но и оценки вероятностей правильного обнаружения D_t и ложной тревоги F_t [Черняк B.C. Многопозиционная радиолокация. - М.: Радио и связь, 1993, С. 163], что предъявляет высокие требования к пропускной способности ЛПД.

Целью изобретения является сокращение объема передаваемой по ЛПД информации (снижение загрузки ЛПД) и повышение отношения сигнал/шум на выходе линейной части устройства до уровня, обеспечиваемого КСО, оптимизированной на этапе первичной обработки.

Покажем, что поставленной цели можно добиться путем использования в решающей статистике (1), а точнее в эквивалентной ей решающей статистике [Черняк B.C. Многопозиционная радиолокация. - М.: Радио и связь, 1993, С. 158]:

апостериорных вероятностей правильного обнаружения D_t(ξ_t) и ложной тревоги F_t(ξ_t), являющихся показателями текущего качества объединяемых обнаружителей (ξ_t - наблюдаемый процесс на входе t-го обнаружителя). Тогда по аналогии с (2) в КСО, оптимизированной по критерию Неймана-Пирсона на основе использования указанных апостериорных вероятностей, должна применяться решающая статистика в следующем виде:

Как показывает анализ выражения (3), для этого должны быть известны отношения (при принятии частного решения о наличии сигнала) и (при принятии частного решения об отсутствии сигнала). Эти отношения характеризуют текущее качество частных решений объединяемых обнаружителей.

Для отыскания первого отношения рассмотрим апостериорную вероятность P(θ=1/q_t>h_t, ξ_t) наличия сигнала при условии, что корреляционный интеграл q_t на выходе t-го обнаружителя превысил порог h_t.

Применяя формулу Байеса, получим:

При равных априорных вероятностях наличия и отсутствия сигнала P(θ=1)=P(θ=0)=0,5 выражение (4) принимает вид:

откуда следует формула для расчета отношения апостериорных вероятностей правильного обнаружения и ложной тревоги:

Аналогично (5) можно записать апостериорную вероятность принятия частного решения об отсутствии сигнала при условии, что корреляционный интеграл q_t на выходе t-го обнаружителя не превысил порог h_t:

откуда получается формула для расчета второго отношения:

Таким образом, с учетом (6), (8) решающая статистика (3) может быть записана через апостериорные вероятности , в следующем виде:

Рассмотрим подход к определению апостериорных вероятностей, основанный на использовании значений корреляционных интегралов q_t на выходах обнаружителей.

В соответствии с формулой (5.9) [Радиолокационные устройства (теория и принципы построения). Под ред. В.В. Григорина-Рябова. - М.: Сов. радио, 1970. С. 103] функции правдоподобия гипотез о наличии и отсутствии сигнала могут быть записаны в виде:

где С - константа;

- энергия полезного сигнала;

τ - длительность полезного сигнала;

S(t) - полезный детерминированный сигнал на входе обнаружителя;

N₀ - спектральная плотность мощности шума;

- корреляционный интеграл на выходе t-го обнаружителя.

В соответствии с (4), (10), (11) выражение для апостериорной вероятности наличия сигнала при условии превышения корреляционным интегралом порога (q_t>h_t) имеет вид:

откуда

и

Аналогично выражение для апостериорной вероятности отсутствия сигнала при условии непревышения корреляционным интегралом порога (q_t<h_t) имеет вид6

откуда

и

Сравнивая (14) и (17), видим, что выражения одинаковы. Следовательно, решающая статистика (9) может быть представлена в еще более простом виде:

где - апостериорная вероятность наличия сигнала. (19)

Покажем, что суммирование логарифмов отношения апостериорных вероятностей наличия и отсутствия сигнала (18) эквивалентно суммированию корреляционных интегралов, которое реализуется в КСО, оптимизированной на уровне первичной обработки.

Подставив (14) в (18) с учетом (19), получим:

При сравнении с порогом постоянная величина может быть учтена в величине порога. Таким образом, суммирование логарифмов отношения апостериорных вероятностей наличия и отсутствия сигнала с последующим сравнением с порогом (для принятия общего решения о наличии либо отсутствии сигнала) равносильно суммированию корреляционных интегралов с последующим сравнением с порогом. Следовательно, предлагаемое устройство, основанное на решающей статистике (18), по отношению сигнал/шум на выходе системы эквивалентно КСО, оптимизированной на уровне первичной обработки, тогда как прототип по этому показателю существенно ей проигрывает.

Кроме того, в предлагаемом устройстве, как видно из анализа (18), отпадает необходимость передачи не только оценок вероятностей правильного обнаружения D_t и ложной тревоги F_t, но и частных решений , а из каждой позиции МПРЛС достаточно передавать в ЦОИ только апостериорную вероятность наличия сигнала, рассчитываемую по формуле (19). Это существенно сокращает объем передаваемой по ЛПД информации (снижает загрузку линий передачи данных), что вместе с повышением отношения сигнал/шум на выходе устройства и является целью изобретения.

Цель изобретения достигается тем, что из известного многоканального устройства, содержащего общие для всех каналов сумматор и общее пороговое устройство, а в каждом канале согласованный фильтр, пороговое устройство, линию передачи данных, блок расчета весового коэффициента (функциональный преобразователь) и умножитель, исключены из каждого канала пороговое устройство, блок расчета весового коэффициента (функциональный преобразователь) и умножитель, а дополнительно введены в каждый канал первый и второй функциональные преобразователи, причем выход согласованного фильтра в каждом канале подключен ко входу первого функционального преобразователя, второй и третий входы которого являются входами внешних сигналов, а выход через линию передачи данных подключен ко входу второго функционального преобразователя, выход которого является выходом канала устройства и подключен к соответствующему входу сумматора, выход которого подключен ко входу общего порогового устройства, второй вход которого является внешним входом сигнала порогового уровня, а выход является выходом устройства.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое многоканальное устройство отличается тем, что из каждого канала исключены пороговое устройство, блок расчета весового коэффициента (функциональный преобразователь) и умножитель, вместо которых дополнительно введены первый и второй функциональные преобразователи, а также их связи с другими элементами устройства.

Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию изобретения «новизна».

Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что вновь введенные элементы известны.

Однако при их введении в указанной связи с остальными элементами в заявляемое устройство оно проявляет новые свойства, что приводит к сокращению объема передаваемой по ЛПД информации (снижает загрузку линий передачи данных) и повышает отношение сигнал/шум на выходе устройства. Это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию «существенные отличия».

Блок-схема устройства представлена на фиг.2.

Устройство является Т-канальным (по числу позиций МПРЛС), причем каждый канал содержит:

1 - согласованный фильтр, выход которого подключен ко входу первого функционального преобразователя 8;

8 - первый функциональный преобразователь, вход которого подключен к выходу согласованного фильтра 1, второй и третий входы являются входами внешних сигналов, а выход подключен ко входу линии передачи данных 3;

3 - линия передачи данных, вход которой подключен к выходу первого функционального преобразователя 8, а выход - ко входу второго функционального преобразователя 9;

9 - второй функциональный преобразователь, вход которого подключен к выходу линии передачи данных 3, а выход является выходом канала устройства и подключен к соответствующему входу сумматора 6.

Общая часть устройства содержит:

6 - сумматор на Т входов, каждый из которых подключен к выходу соответствующего второго функционального преобразователя 9. Выход сумматора 6 подключен ко входу общего порогового устройства 7;

7 - общее пороговое устройство, вход которого подключен к выходу сумматора 6, второй вход является внешним входом сигнала порогового уровня, а выход является выходом устройства.

Устройство реализует алгоритм оптимального по критерию Неймана-Пирсона комплексирования обнаружителей на этапе вторичной обработки, который заключается в сравнении с порогом решающей статистики (18) и работает следующим образом (рассмотрим работу одного i-го канала устройства, поскольку каналы идентичны). Аналоговый входной сигнал ξ_t, в состав которого входит детерминированный сигнал S(t), поступает на вход согласованного фильтра 1, с выхода которого аналоговый сигнал в виде корреляционного интеграла поступает на вход первого функционального преобразователя 8, который преобразует значения q_t и поступающие на его второй и третий входы значения Е и N₀ в апостериорную вероятность наличия сигнала P_t в соответствии с выражением . Значение вероятности P_t по линии передачи данных 3 передается в центр обработки информации, где поступает на вход второго функционального преобразователя 9, который преобразует ее в выходной сигнал t-го канала устройства в соответствии с выражением . Эти сигналы с выходов всех каналов устройства поступают на соответствующие входы сумматора 6. Сформированная на выходе сумматора 6 решающая статистика подается на вход общего порогового устройства 7, где ее значение сравнивается с величиной порога h, поступающей на второй вход общего порогового устройства 7 в качестве внешнего сигнала. В зависимости от результата сравнения общее пороговое устройство 7 формирует общее решение θ^* в виде 1 (если порог превышен - сигнал есть) или 0 (порог не превышен - сигнала нет).

Комплексное устройство обнаружения в многопозиционной радиолокационной станции, являющееся многоканальным, содержащее сумматор, входы которого подключены к соответствующим выходам каналов устройства, каждый из которых содержит согласованный фильтр и линию передачи данных, а выход сумматора подключен ко входу общего порогового устройства, второй вход которого является входом сигнала порогового уровня, а выход является выходом устройства, отличающееся тем, что в каждый канал устройства дополнительно введены первый и второй функциональные преобразователи, при этом первый функциональный преобразователь предназначен для преобразования корреляционного интеграла q_t, полученного на выходе согласованного фильтра, и внешних сигналов Е и N₀, поступающих на второй и третий входы первого функционального преобразователя, в апостериорную вероятность наличия сигнала P_t в соответствии с выражением P_t=1/(1+exp(E/N₀-q_t)), где Е - энергия полезного сигнала, N₀ - спектральная плотность мощности шума, при этом значение P_t по линии передачи данных поступает на вход второго функционального преобразователя, осуществляющего преобразование в соответствии с выражением lnP_t/(1-P_t), причем выход второго функционального преобразователя является соответствующим выходом канала устройства.