Устройство обнаружения широкополосных полигармонических сигналов на фоне аддитивной помехи
APPARATUS FOR DETECTING BROADBAND POLYHARMONIC SIGNALS ON BACKGROUND OF ADDITIVE INTERFERENCE

Настоящее изобретение относится к области радиоэлектроники, а именно - к устройствам обнаружения широкополосных сигналов (со спектральной плотностью мощности в виде отдельных дискретных составляющих полигармонический сигнал) на фоне аддитивной помехи. Основной задачей приемной части системы обнаружения сигналов является принятие решения о наличии или отсутствии полезного сигнала от объекта в наблюдаемом входном процессе.
Поставленная задача решается за счет того, что в приемнике устанавливается порог, выбираемый на основе одного из статистических критериев по заданным вероятностям правильного обнаружения и ложной тревоги, к которому предъявляются наиболее высокие требования, т.к. обнаружение сигнала, как правило, происходит при минимальных отношениях сигнал-помеха.
Достигаемый технический результат заключается в возможности обнаружения сигналов при минимальном значении сигнал-помеха, а также в повышении помехоустойчивости выше отношения сигнал-помеха при установленной вероятности обнаружения сигналов. Высокая эффективность данного устройства, возможность детектировать, сигнал с невысоким значением сигнал-помеха обуславливают высокую экономическую выгоду, которая может быть использована при внедрении в систему обработки гидроакустических сигналов.
Прототип. В настоящее время для решения этой задачи наибольшее распространение получили так называемые пассивные широкополосные и узкополосные гидроакустические системы [1, 5, 6]. Из предшествующих устройств наиболее интересно устройство обнаружения узкополосных шумовых гидроакустических сигналов на основе квадратурного приемника (прототип; патент №2549207 от 26.03.2015 г.). Схема работы устройства приведена на Фиг. 1,
где:
блок 1 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);
блок 2 - рецйркулятор;
блоки 3.1 - 3.М - набор цифровых узкополосных полосовых фильтров (УПФ), перекрывающих ожидаемый частотный диапазон, с различной шириной полосы пропускания и различными центральными частотами, но с постоянной скважностью фильтров (отношением полосы фильтра к его центральной частоте) во всем диапазоне частот, а именно
Или, учитывая, что ω=2πf
Средняя частота в каждом фильтре определяется выражением
блоки 4.1 - 4.2М - перемножители;
блок 5 - ПЗУ;
блоки 6.1 - 6.2М - интеграторы;
блоки 7.1 - 1.2М - квадраторы;
блоки 8.1 - 8.M - сумматоры;
блоки 9.1 - 9.M - вычислители квадратного корня;
блоки 10.1 - 10.M - устройства задержки
блок 11 - сумматор;
блок 12 - пороговое устройство;
блок 13 - управляющее устройство.
0
Условие (1) может быть соблюдено, только в случае когда число степеней свободы каждой компоненты полигармонического сигнала одинаковы. Условие (1) означает, что фильтры для каждой компоненты равнодобротны. К примеру, если для частоты f
0
соответствует длительность τ, то при частоте 2 f соответствует  Фиг. 2
Принцип действия устройства заключается в следующем: поступающая реализация входного процесса направляется на вход АЦП (блок 1), где происходит его поступление в виде дискретных отсчетов на вход рециркулятора (блок 2), где формируется и обновляется текущая дискретная выборка. Далее данная выборка поступает одновременно на входы М узкополосных фильтров (блоки 3.1 - 3.M), где одновременно происходит поступление на первые входы М пар перемножителей (блоки 4.1 - 4.2M), с выходов которых результаты поступают в интеграторы (блоки 6.1 - 6.2М). Затем происходит поступление синусных и косинусных составляющих цифровых сигналов из ПЗУ (блок 5) на вторые входы М пар перемножителей (блоки 4.1 - 4.2М). После выхода с M пар интеграторов (блоки 6.1 - 6.2M) результаты поступают на входы квадраторов (блоки 7.1 - 7.2M), после чего происходит их поступление на входы М сумматоров (блоки 8.1 - 8.M), а результаты суммирования затем направляются на входы М вычислителей квадратного корня (блоки 9.1 - 9.M). Позднее результаты вычислений поступают на входы М устройств задержки (блоки 10.1 - 10.М), для обеспечения условия (1), а с выходов этого устройства отклики поступают на входы сумматора (блок 11). Затем результаты суммирования направляются на вход порогового устройства (блок 12), выход которого является выходом устройства. Устройство управления (блок 13) осуществляет синхронизацию работы: аналогово-цифрового преобразователя (блок 1), рециркулятора (блок 2), ПЗУ (блок 5) и порогового устройства (блок 12).
Аналог. Также известен способ, который представляет собой последовательное выполнение операций: многоканальной узкополосной полосовой фильтрации (для формирования отдельных частотных каналов), квадратичного детектирования, интегрирования и сравнения с порогом. Данное устройство (аналог) [1, с. 351-352], реализующее указанный способ обнаружения узкополосного шума, приведено на Фиг. 3,
где:
блок 1 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);
блок 2 - рециркулятор;
блоки 3.1 - 3.М - набор («гребенка») цифровых узкополосных полосовых фильтров (УПФ), с одинаковой шириной полосы пропускания и различными центральными частотами (с равномерным шагом по частоте, равным ширине полосы пропускания одного фильтра);
блоки 7.1 - 7.М - квадраторы;
блоки 6.1 - 6.М - интеграторы;
блок 12 - пороговое устройство.
Принцип действия данного устройства заключается в следующем: на вход устройства поступает реализация входного процесса, которая поступает на вход АЦП (блок 1). С выхода АЦП поступает последовательность импульсов через интервалы удовлетворяющей требованиям теоремы Котельникова:
в
f - верхняя частота спектра сигнала в полосе фильтра;
Δt - интервал дискретизации
С выхода АЦП (блок 1) дискретные отсчеты поступают на вход рециркулятора (блок 2), где формируется и с каждым новым отсчетом обновляется текущая дискретная выборка x(n) длиной N отсчетов. Сформированная текущая дискретная выборка входного процесса x(n) поступает одновременно на входы М цифровых узкополосных фильтров (блоки 3.1 - 3.М) (М - канальной гребенки УПФ), где формируется М отдельных частотных каналов.
Сформированные (расфильтрованные) узкополосные шумовые процессы поступают на входы квадраторов (блоки 7.1 - 7.М), с выходов которых возведенные в квадрат узкополосные сигналы поступают на входы интеграторов (блоки 6.1 - 6.М). Время интегрирования (или накопления) узкополосных сигналов обычно выбирается равным величине, обратно-пропорциональной ширине полосы пропускания УПФ [1], и обеспечивающим потенциальную разрешающую способность по частоте для данного способа спектрального анализа (метода фильтрации). С выходов интеграторов выделенные отклики поступают на вход порогового устройства (блок 12), выход которого является выходом устройства.
В реальных условиях приема полигармонического сигнала на фоне помех о детерминированности полезного сигнала речь идти принципиально не может, так как (как минимум) неизвестна начальная фаза сигнала в обрабатываемой выборке входного процесса, ограниченной по времени. В этом случае предлагается в качестве детектирующего элемента (оптимального приемника) пассивной узкополосной системы использовать оптимальный приемник сигнала с неизвестной начальной фазой (квадратурный детектор).
Предлагаемое устройство. Как правило, в шумовом портрете объекта присутствует несколько полигармонических сигналов, каждый из которых порождается своим источником, который не связан с другими, если на входе принять, что число степеней свободы для каждой компоненты принимаемого сигнала константа (что равносильно ) и равно N, то на выходе прототипа, отношение сигнал-помеха (ОСП) для каждой компоненты равна Поэтому после обработки сигналов может быть несколько откликов. Если принять, что число компонент в каждом полигармоническом сигнале одинаково (ниже покажем, что это несложно обобщить на случай если число компонент различно) и равно n, то после обработки ОСП увеличится для каждого полигармонического сигнала в  соответственно отношение сигнал помеха будет иметь следующий вид  Полученные отклики можно рассматривать как пачку сигналов в спектральной области. Частотный интервал между ними можно рассматривать как аналог скважности. Эту пачку откликов можно запомнить в виде копии в устройстве запоминания в виде опорного сигнала. Если, к примеру, таких полигармонических сигналов m, то после сравнения запомненной копии с реализацией после обработки совокупности полигармонических сигналов отношение сигнал-помеха увеличится  раз. Таким образом, общий выигрыш в ОСП составит  На практике при обработке нескольких полигармонических сигналов возможны ситуации, при которых во входном очередном процессе будет минимальное значение сигнал-помеха, что может привести к отсутствию отклика на выходе вышеописанного устройства. В этом случае, отклик выше порога может быть получен после следующего этапа обработки. Пошагово алгоритм обработки можно представить в следующем виде.
1. На первом этапе принимается реализация состоящая из нескольких полигармонических сигналов (в рассматриваемом случае 3-х. ОСП положим равно , i=1,2,3…n., N-число степеней свободы. Фиг. 4.
2. На втором этапе проводится обработка сигнала прототипом. В результате на выходе будем иметь для каждого отклика ОСП
Фиг. 5
3. На третьем этапе, если выделены отклики полигармонических сигналов, вычисляются расстояния между ними по частоте (аналог скважности) и в виде эталона заносится в память.
4. На четвертом этапе запомненная копия (эталон) сравнивается с результатом обработки на третьем этапе. В результате получаем выигрыш в ОСП, который можно представить в виде следующего выражения. Фиг. 6
, для случая  Пояснительная схема представлена на Фиг. 7
При реализации, предложенного обнаружителя полигармонических сигналов, был решен ряд задач, связанных с необходимостью обеспечения постоянного отношения полосы компоненты к ее центральной частоте (скважность фильтра) во всем диапазоне частот и накопления откликов от нескольких каналов обнаружителя (суммирования выходных процессов) на основе согласования по времени анализа, т.е. введение временных задержек на выходах каналов перед операцией суммирования. Таким образом, предполагаемый положительный эффект при реализации данного устройства обнаружения широкополосных полигармонических сигналов по сравнению с традиционными, достигается благодаря использованию большего объема априорной информации об обнаруживаемом полезном сигнале.
Таким образом, помехоустойчивость прототипа можно увеличить, если использовать апостериорные данные о свойствах сложного полигармонического сигнала, состоящего из нескольких полигармонических сигналов, т.е. выделенные отклики приемника, которые превышают установленный порог. Используя для дальнейшей обработки коррелятор, выделенные отклики можно использовать как опорный сигнал. В корреляторе производится количественная оценка степени сходства откликов очередной дискретной выборки с предыдущей, что позволяет осуществить принцип согласованной фильтрации, и увеличить помехоустойчивость схемы прототипа.
В данном случае дополнительной информацией является совокупность откликов от нескольких полигармонических сигналов и измеренных между ними частотными расстояниями (аналог скважности во времени). С другой стороны, совокупность полигармонических сигналов обладает более сложной структурой и поэтому если эта структура известна, то естественно будет выигрыш в ОСП.
Схема работы предлагаемого устройства на основе прототипа, представлена на фиг. 8,
где:
блок 1 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);
блок 2 - рециркулятор;
блоки 3.1 - 3.М набор цифровых узкополосных полосовых фильтров (УПФ);
блоки 4.1 - 4.М - перемножители;
блок 5 - ПЗУ;
блоки 6.1 - 6.М - интеграторы;
блоки 7.1 - 7.М - квадраторы;
блоки 8.1 - 8.М - сумматоры;
блоки 9.1- 9.М - вычислители квадратного корня;
блоки 10.1 - 10.М - устройства задержки;
блок 11 - сумматор;
блок 12 - пороговое устройство,
блок 13 - управляющее устройство.
дополнительно-включенные блоки:
блок 14 запоминающее устройство; блок
15 - коррелятор;
блок 16 - первое коммутирующие устройство;
блок 17 - второе коммутирующие устройство.
блок 19 - блок управления коммутаторами;
Работает устройство следующим образом:
На вход устройства поступает реализация входного процесса x(t), которая поступает на вход АЦП (блок 1) с частотой дискретизации, удовлетворяющей требованиям теоремы Котельникова:
С выхода АЦП (блок 1) дискретные отсчеты поступают на вход рециркулятора (блок 2), где формируется и с каждым новым отсчетом обновляется текущая дискретная выборка x(n) длиной N отсчетов.
Сформированная текущая дискретная выборка входного процесса x(n) поступает одновременно на входы М узкополосных фильтров (блоки 3.1 - 3.М). С выходов М узкополосных фильтров (блоки 3.1 - 3.М) М соответствующих узкополосных процессов одновременно поступают на первые входы М пар перемножителей (блоки 4.1 - 4.2М), с выходов которых результаты перемножения поступают на входы М пар интеграторов (блоки 6.1 - 6.2М).
m
Из ПЗУ (блок 5) на вторые входы М пар перемножителей (блоки 4.1 - 4.2М) поступают М пар синусных и косинусных составляющих (монохроматических) цифровых сигналов с частотами, соответствующими центральным частотам УПФ f.
С выходов М пар интеграторов (блоки 6.1 - 6.2М) результаты интегрирования поступают на входы М пар квадраторов (блоки 7.1 - 7.2М), с выходов которых квадраты откликов попарно поступают на входы М сумматоров (блоки 8.1 - 8.M), с выходов которых результаты суммирования поступают на входы М вычислителей квадратного корня (блоки 9.1 - 9.М), с выходов которых результаты вычислений поступают на входы М устройств задержки (блоки 10.1 - 10.М). С выходов М устройств задержки (блоки 10.1 - 10.M). С выходов М устройств задержки (блоки 10.1 - 10.М) отклики поступают на входы сумматора (блок 11), с выхода которого отклики поступают на коммутирующие устройства (блоки 16, 17, 18), на первом цикле коммутирующие устройства (блок 17, 18) закрыты, после прохождения через коммутирующее устройство (блок 16) отклик поступает на пороговое устройство (блок 12) где принимается решение о наличии или отсутствии полезного сигнала после чего при наличии сигнала информация подается на выход устройства и подается команда на вход устройства управления (блок 19), которое подает команду на закрытие первого коммутирующего устройства (блок 16) и второго коммутирующего устройства (блок 17) и запись полученной реализации в запоминающем устройстве (блок 14), с поступлением очередной реализации начинается второй цикл в случае принятия решения пороговым устройством (блок 12) о наличии сигнала цикл 1 повторяется, в случае принятия решения об отсутствия полезного сигнала в пороговом устройстве (блок 12) в устройство управления (блок 19) поступает команда об отсутствии полезного сигнала, с которого подается команда на закрытие первого коммутатора (блок 16) и второго коммутатора (блок 17) и команда на выдачу записанной реализации из запоминающего устройства (блок 14) в коррелятор (блок 15). Третий цикл: С поступлением очередной реализации с сумматора (блок 11), через открытый третий коммутатор (блок 18), производится корреляция запомненной копии (эталон) с результатом обработки, результат поступает на второй вход порогового устройства (блок 12), и подается на выход устройства и вход устройства управления (блок 19) и цикл повторяется как в первом цикле, в противном случае управляющее устройство отключает ключи и схема работает в режиме прототипа, пока не появятся вновь несколько звукорядов.
Список использованных источников
1. Бутырский Е.Ю., Смагулов А.Б., Шаталов Г.В., Якунин К.В. Устройство обнаружения шумовых гидроакустических сигналов на основе квадратурного приемника. Патент на изобретение №2549207 от 26.03.2015 г. (Прототип)
2. Бурдик В.С. Анализ гидроакустических систем. Л.: Судостроение, 1988, с. (Аналог, с. 351-352).
3. Болгов B.M., Плахов Д.Д., Яковлев В.Е. Акустические шумы и помехи на судах. Л.: Судостроение, 1984, 192 с.
4 .Бутырский Е.Ю. Функция неопределенности сигналов на группе преобразований. Информация и космос. 2008. №3. с. 31-39.
5. Ван-Трис Г. Теория обнаружения, оценок и модуляции, т. 1, М.: Сов. радио, 1972, 744 с.
6. Ван-Трис Г. Теория обнаружения, оценок и модуляции, т. 3, М.: Сов. радио, 1977, 661 с.
7. Зарайский B.A., Тюрин A.M. Теория гидролокации. Л.: ВМА, 1975, 604 с.
8. Ольшевский В.В. Статистические методы в гидролокации. Л.: Судостроение, 1983, 280 с.
9. Урик Р. Дж. Основы гидроакустики. Л.: Судостроение, 1978, 446 с.