СПОСОБ ПОДАВЛЕНИЯ ПОМЕХ
METHOD OF SUPPRESSING NOISE

Изобретение относится к радиолокации и может быть использовано для подавления помех при обнаружении сигналов в импульсных радиолокационных станциях. В частности, для подавления смеси пассивных помех и шумовых импульсных помех от средств активного противодействия.
1
2
N
T
Известен способ подавления помех ("Применение цифровой обработки сигналов" под ред. Э.Опенгейма, М., "Мир", 1980), в котором из принятых радиолокатором сигналов в N периодах повторения когерентной пачки формируют отсчеты комплексной огибающей, отсчеты в каждом элементе дальности обрабатывают в режекторном фильтре с весовыми коэффициентами W=(w; w,…,w), выбранных таким образом, чтобы обеспечить минимальное значение мощности помех на выходе режекторного фильтра. В данном способе обеспечивается подавление некоторых видов пассивных помех, например пассивных помех от неподвижных местных предметов.
Основной недостаток данного способа состоит в низком подавлении пассивных помех с неизвестными параметрами, например помех от метеообразований, движущихся с заранее неизвестной скоростью ветра, и шумовых импульсных помех от средств активного противодействия.
w
1
2
N
T
Наиболее близким техническим решением является способ подавления помех (Д.И.Попов Синтез цифровых адаптивных режекторных фильтров, Радиотехника, 1981 г., т.36, №10), в котором из принятых радиолокатором сигналов в N периодах повторения когерентной пачки формируют отсчеты комплексной огибающей, при обработке отсчетов в k-ом элементе дальности оценивают матрицу ковариации помех  по отсчетам в N элементах дальности, окружающих обрабатываемый k-ый элемент, определяют весовые коэффициенты режекторного фильтра W=(w,w,…,w) из уравнения:
min
где I - единичная матрица размером N×N, λ - минимальное собственное значение матрицы  размером N×N, обрабатывают отсчеты k-го элемента дальности в данном режекторном фильтре. В указанном способе обеспечивается подавление разного вида помех, в том числе смеси пассивных помех с неизвестными параметрами и шумовых импульсных помех от средств активного противодействия. При этом достигается минимальное значение мощности помех на выходе режекторного фильтра.
3
d
d
Основной недостаток этого способа заключается в сложности его технической реализации, связанной с тем, что из-за изменения во времени матрицы ковариации помех  необходимо в каждом элементе дальности получать новое решение матричного уравнения (1). Это требует производить порядка ~N операций комплексного умножения за время, равное периоду дискретизации комплексной огибающей τ, что для типовых значений N>3 и τ<1 мкс вызывает значительные технические трудности.
Техническим результатом (решаемой задачей) изобретения, таким образом, является устранение названного недостатка, а именно упрощение технической реализации известного способа без снижения подавления помех, представляющих собой смесь пассивных и шумовых импульсных помех.
i,k
w
i,k
i,k
пп
пп
пп
i
i
ik
i
i
пп
пп
i,k
ik
i
k
i
p
k
i
p
ik
i
ik
i
Технический результат (решаемая задача) в предлагаемом способе достигается тем, что в известном способе подавления помех, представляющих собой смесь пассивных и шумовых импульсных помех, в котором из принятых радиолокатором сигналов в N периодах повторения когерентной пачки, где N≥4, формируют отсчеты комплексной огибающей x, где i - номер периода повторения когерентной пачки, 1≤i≤N, k - номер элемента дальности, в каждом из периодов повторения когерентной пачки формируют окно из N отсчетов комплексной огибающей, окружающих отсчеты комплексной огибающей x, по отсчетам комплексной огибающей в указанных окнах оценивают корреляционные параметры помех в k-ом элементе дальности, включая коэффициенты корреляции помех между периодами повторения когерентной пачки, определяют весовые коэффициенты режекторного фильтра, обеспечивающие при имеющихся корреляционных параметрах помех в k-ом элементе дальности минимальную мощность помех на его выходе, на вход которого подаются отсчеты комплексной огибающей x, получают на выходе режекторного фильтра смесь сигналов и подавленных помех, согласно изобретению из упомянутых оценок коэффициентов корреляции помех определяют оценки коэффициентов корреляции помех  между соседними периодами повторения когерентной пачки h, h+1, где 1≤h≤N-1; ,  - соответственно оценки модуля и фазы коэффициента корреляции помех, затем среди этих оценок находят оценку с максимальным модулем коэффициента корреляции и по ней оценивают коэффициент корреляции пассивных помех в k-ом элементе дальности , где ,  - соответственно оценки модуля и фазы коэффициента корреляции пассивных помех, из предварительно рассчитанных весовых коэффициентов набора режекторных фильтров, определяемых так, чтобы минимальная мощность помех на их выходах обеспечивалась при гауссовом спектре, нулевой фазе φ, каждом из значений модуля коэффициента корреляции пассивных помех ρ, задаваемых с точностью Δρ в диапазоне от 0 до 1, каждом из значений временного положения t=1,…,N шумовой импульсной помехи в когерентной пачке, включая ее отсутствие, при котором полагают t=0, выбирают весовые коэффициенты режекторных фильтров w(t), соответствующие разным значениям t и значению модуля коэффициента корреляции пассивных помех ρ, не более, чем на величину Δρ отличающемуся от полученной оценки модуля коэффициента корреляции пассивных помех в k-ом элементе дальности , отсчеты комплексной огибающей x после их поворота в i-ом периоде повторения когерентной пачки на фазу, равную , подают на выбранные из набора режекторные фильтры с весовыми коэффициентами w(t), получая на их выходах отсчеты комплексной огибающей z(t), по среднему квадрату модуля N отсчетов комплексной огибающей, окружающих отсчеты z(t), где N выбирают исходя из допустимого снижения подавления пассивных помех при отсутствии шумовых импульсных помех, оценивают мощность помех  на выходах выбранных из набора режекторных фильтров с весовыми коэффициентами w(t), весовые коэффициенты упомянутого режекторного фильтра, обеспечивающие при имеющихся корреляционных параметрах помех в k-ом элементе дальности минимальную мощность помех на его выходе, определяют как весовые коэффициенты одного из выбранных из набора режекторных фильтров с весовыми коэффициентами w(t), на выходе которого оценка мощности помех  имеет минимальное значение.
Новыми существенными признаками предлагаемого способа являются следующие:
- из упомянутых в прототипе оценок коэффициентов корреляции помех определяют оценки коэффициентов корреляции помех  между соседними периодами повторения когерентной пачки h, h+1, где 1≤h≤N-1; ,  - соответственно оценки модуля и фазы коэффициента корреляции помех, затем среди этих оценок находят оценку с максимальным модулем коэффициента корреляции и по ней оценивают коэффициент корреляции пассивных помех в k-ом элементе дальности , где ,  - соответственно оценки модуля и фазы коэффициента корреляции пассивных помех;
пп
пп
пп
i
i
ik
i
i
пп
пп
- из предварительно рассчитанных весовых коэффициентов набора режекторных фильтров, определяемых так, чтобы минимальная мощность помех на их выходах обеспечивалась при гауссовом спектре, нулевой фазе φ, каждом из значений модуля коэффициента корреляции пассивных помех ρ, задаваемых с точностью Δρ в диапазоне от 0 до 1, каждом из значений временного положения t=1,…,N шумовой импульсной помехи в когерентной пачке, включая ее отсутствие, при котором полагают t=0, выбирают весовые коэффициенты режекторных фильтров w(t), соответствующие разным значениям t и значению модуля коэффициента корреляции пассивных помех ρ, не более, чем на величину Δρ отличающемуся от полученной оценки модуля коэффициента корреляции пассивных помех в k-ом элементе дальности ;
i,k
ik
i
k
i
- отсчеты комплексной огибающей x после их поворота в i-ом периоде повторения когерентной пачки на фазу, равную , подают на выбранные из набора режекторные фильтры с весовыми коэффициентами w(t), получая на их выходах отсчеты комплексной огибающей z(t);
p
k
i
p
ik
i
- по среднему квадрату модуля N отсчетов комплексной огибающей, окружающих отсчеты z(t), где N выбирают исходя из допустимого снижения подавления пассивных помех при отсутствии шумовых импульсных помех, оценивают мощность помех  на выходах выбранных из набора режекторных фильтров с весовыми коэффициентами w(t);
ik
i
- весовые коэффициенты упомянутого режекторного фильтра, обеспечивающие при имеющихся корреляционных параметрах помех в k-ом элементе дальности минимальную мощность помех на его выходе, определяют как весовые коэффициенты одного из выбранных из набора режекторных фильтров с весовыми коэффициентами w(t), на выходе которого оценка мощности помех  имеет минимальное значение.
пп
пп
i
i
ik
i
i
i,k
ik
i
Применение всех новых признаков совместно с признаками прототипа позволит упростить техническую реализацию способа. В прототипе необходимо при обработке сигналов в каждом элементе дальности оценивать всю матрицу ковариации помех , состоящую, в общем случае из  различных элементов. Затем требуется найти решение уравнения (1), для чего необходимо использовать значительные вычислительные ресурсы. В предлагаемом способе подавления помех весовые коэффициенты набора режекторных фильтров для всех возможных значений модуля коэффициента корреляции пассивных помех ρ, задаваемых с точностью Δρ в диапазоне от 0 до 1, и разных положений t=0,1,…,N импульсной шумовой помехи в когерентной пачке, включая ее отсутствие (t=0), предварительно однократно рассчитывают по формуле (1), после чего записывают их в память. При обработке оценивают не всю матрицу ковариации помех, а только коэффициенты корреляции помех  между соседними периодами h, h+1, где 1≤h≤N-1, затем среди этих оценок находят оценку с максимальным модулем коэффициента корреляции и по ней оценивают коэффициент корреляции пассивных помех в k-ом отсчете дальности . Далее извлекают из памяти значения весовых коэффициентов режекторных фильтров w(t), соответствующих указанной оценке модуля коэффициентов корреляции пассивных помех  и разным значениям t. Затем отсчеты комплексной огибающей x обрабатывают в выбранных из набора режекторных фильтрах с весовыми коэффициентами w(t), оценивают мощность помех  на выходах указанных фильтров и выбирают фильтр, на выходе которого мощность помех имеет минимальное значение. Для реализации предложенного способа требуются существенно меньшие вычислительные ресурсы.
Изобретение поясняется чертежами:
- Фиг.1. Структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ подавления помех.
- Фиг.2. Структурная схема устройства, реализующего блок оценки коэффициента корреляции пассивных помех на Фиг.1.
- Фиг.3. Структурная схема устройства, реализующего измеритель мощности на Фиг.1.
- Фиг.4. Структурная схема устройства, реализующего блок определения канала с минимальным значением на Фиг.1.
w
- Фиг.5. Зависимости снижения подавления помех от размеров окна N.
Техническая реализация предлагаемого способа подавления помех возможна на основе устройства, показанного на Фиг.1. Устройство содержит формирователь отсчетов комплексной огибающей 1, вход которого является входом устройства, блок задержки на период 2, измеритель коэффициента корреляции 3, блок задержки на время NT 4, блок оценки коэффициента корреляции пассивных помех 5, умножитель 6, блок памяти весовых коэффициентов режекторных фильтров 7, (N+1) режекторных фильтров 8, (N+1) измерителей мощности 9, блок определения канала с минимальным значением 10, мультиплексор 11, выход которого является выходом устройства.
Техническая реализация блока оценки коэффициента корреляции пассивных помех 5 возможна в виде устройства, представленного на Фиг.2. Устройство содержит два (N-1)-отводных регистра 12, входы которых являются первым и вторым входами устройства, (N-1) схему сравнения 13, (N-1) мультиплексор 11, схему выбора максимального значения 14, выход которой является первым выходом устройства, сумматор 15, два регистра 16, умножитель 6, выход которого является вторым выходом устройства.
p
Техническая реализация измерителя мощности 9 на Фиг.1 возможна в виде устройства, представленного на Фиг.3. Устройство содержит вычислитель квадрата модуля 17, вход которого является входом устройства, (N+1)-отводный регистр 18, сумматор 15, делитель 19, выход которого является выходом устройства.
Техническая реализация блока определения канала с минимальным значением 10 на Фиг.1 возможна в виде устройства, представленного на Фиг.4. Устройство содержит схему выбора минимального значения 20, (N+1) входов которой являются входами устройства, (N+1) схем сравнения 13 и шифратор 21, выход которого является выходом устройства.
i,k
ik
i
i
k
i
k
i
Устройство на Фиг.1 работает следующим образом. На формирователь отсчетов комплексной огибающей 1 поступают сигналы x(t) с выхода приемного устройства РЛС. С выхода формирователя отсчетов комплексной огибающей 1 отсчеты комплексной огибающей x поступают на вход блока задержки на период 2, первый вход измерителя коэффициента корреляции 3 и первый вход умножителя 6 через блок задержки на время NT 4 (N периодов повторения импульсов когерентной пачки) Задержанные на период повторения импульсов когерентной пачки отсчеты комплексной огибающей с выхода блока задержки на период 2 подаются на второй вход измерителя коэффициентов корреляции 3. С первого и второго выходов измерителя коэффициентов корреляции 3 значения, соответственно, модуля  и фазового множителя  в h+1-ом периоде повторения когерентной пачки (h=1,…,N-1) подаются на входы блока оценки коэффициента корреляции пассивных помех 5. С первого выхода блока оценки коэффициента корреляции пассивных помех 5 значения оценки модуля коэффициента корреляции пассивных помех  подаются на вход блока памяти весовых коэффициентов режекторных фильтров 7. С 1,…,N+1 выходов блока памяти весовых коэффициентов режекторных фильтров 7 снимаются значения весовых коэффициентов режекторных фильтров w(t), соответствующие разной величине положения шумовой импульсной помехи в когерентной пачке t=0,1,…,N, которые подаются на вторые входы 1,…,N+1 режекторных фильтров 8. Со второго выхода блока оценки коэффициента корреляции пассивных помех 5 значения фазового множителя поворота отсчетов комплексной огибающей в i-ом периоде повторения когерентной пачки  подаются на второй вход умножителя 6. С выхода умножителя 6 повернутые на фазу  отсчеты комплексной огибающей  подаются на первые входы режекторных фильтров 8. Сигналы y(t) с выходов 1,…,N+1 режекторных фильтров 8 подаются на входы 1,…,N+1 измерителей мощности 9 и информационные входы 1,…,N+1 мультиплексора 11. Оценки мощности помех  с выходов 1,…,N+1 измерителей мощности 9 подаются на входы 1,…,N+1 блока определения канала с минимальным значением 10, с выхода которого значение номера режекторного фильтра , соответствующее минимуму мощности помех , подается на управляющий вход мультиплексора 11. По значению  на управляющем входе мультиплексора 11 на его выход подается сигнал y(t) с -го информационного входа мультиплексора 11.
Формирователь отсчетов комплексной огибающей 1 представляет собой устройство, известное, например, из (Л.Д.Ширман, В.Н.Манжос Теория и техника обработки радиолокационной информации на фоне помех, М: Радио и связь, 1981, 416 с).
В измерителе коэффициента корреляции 3, известного, например, из (Д.И.Попов Синтез цифровых адаптивных режекторных фильтров, Радиотехника, 1981 г., т.36, №10), определяется оценка коэффициента корреляции между отсчетами комплексной огибающей h-го и (h+1)-го, p-го и (p+1)-го периодов пачки по следующей формуле:
Режекторные фильтры 8 представляют собой N-отводные трансверсальные фильтры, известные, например, из (Л.Рабинер, Б.Гоулд Теория и применение цифровой обработки сигналов, М., "Мир", 1978).
Устройство на Фиг.2 работает следующим образом. Оценки модулей коэффициентов корреляции между периодами h и h+1 когерентной пачки  записываются в первый (N-1)-отводный регистр 12, с отводов которого данные оценки поступают на первые входы (N-1) схем сравнения 13 и входы схемы выбора максимального значения 14. Максимальное значение коэффициента корреляции помех между соседними периодами когерентной пачки  с выхода схемы выбора максимального значения 14 подается на первый выход устройства как оценка модуля коэффициента корреляции пассивных помех  и на вторые входы (N-1) схем сравнения 13, единичный сигнал на выходе которых появляется при равенстве между собой входных сигналов. Таким образом, единичный сигнал на выходе той схемы сравнения 13, на первый вход которой подается равное максимальному значению модуля коэффициента корреляции помех, открывает соответствующий мультиплексор 11, на информационный вход которого подается оценка фазового множителя коэффициента корреляции пассивных помех  с соответствующего отвода второго (N-1)-отводного регистра 12. Далее оценка фазового множителя коэффициента корреляции пассивных помех  проходит через сумматор 15 и подается на вход первого регистра 16. Состоящая из двух регистров 16 и умножителя 6 схема формирования множителей поворота отсчетов комплексной огибающей на фазу  в i-ом периоде повторения когерентной пачки работает следующим образом. Начиная со второго периода когерентной пачки, оценка фазового множителя коэффициента корреляции пассивных помех  с выхода первого регистра 16 подается на первый вход умножителя 6, на второй вход которого подается запомненная во втором регистре 16 сформированная в предыдущем периоде когерентной пачки величина на втором выходе устройства (ее начальное значение равно 1). В результате в N периодах повторения когерентной пачки на втором выходе устройства формируется последовательность множителей поворота отсчетов комплексной огибающей 1, , ,…, .
k
i
k
i
p
p
p
2
Устройство на Фиг.3 работает следующим образом. На вычислитель квадрата модуля 17 поступают сигналы y(t) с выхода режекторного фильтра 8. Далее с выхода вычислителя квадрата модуля значения |y(t)| записываются в (N+1)-отводный регистр 18, с 1,…, , ,…, N+1 отводов которого сигналы подаются на сумматор 15 и, далее на первый вход делителя 19, на второй вход которого подается коэффициент N. Величина среднего значения квадратов модулей сигналов  с выхода делителя 19 подается на выход устройства.
Устройство на Фиг.4 работает следующим образом. Оценки мощности помех  с выхода измерителей мощности 9 поступают на 1,…,N+1 входы схемы выбора минимального значения 20 и первые входы (N+1) схем сравнения 13. Минимальная оценка мощности помех  с выхода схемы выбора минимального значения 20 подается на вторые входы (N+1) схем сравнения 13. На выходах схем сравнения 13 единичный уровень появляется при равенстве входных сигналов, то есть при , в противном случае формируется нулевой уровень. С выходов (N+1) схем сравнения 13 логические сигналы подаются на 1, 2,…, N+1 входы шифратора 21, на выходе которого формируется число, равное номеру входа с единичным логическим уровнем, в данном случае это номер .
w
w
p
w
i
i
w
Расчеты характеристик предлагаемого способа подавления помех проводились методом статистического моделирования в среде программы MatLab v.7. На Фиг.5 показаны зависимости снижения подавления помехи в предлагаемом способе L (дБ) от размеров окна N для числа импульсов в пачке N=4, гауссового спектра пассивных помех разной ширины Δf=10…90 Гц, N=N. Мощность шумовой импульсной помехи P=20 дБ, помеха попадала в период пачки I=2. При N≥16 снижение подавления помехи невелико - составляет не более 0.8 дБ.
Таким образом, использование предлагаемого изобретения позволит решить поставленную задачу с получением технического результата, который заключается в упрощении технической реализации известного способа без снижения подавления помех.