СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ПАЧКИ РАДИОИМПУЛЬСОВ С ПРОИЗВОЛЬНОЙ СТЕПЕНЬЮ КОГЕРЕНТНОСТИ И УСТРОЙСТВО ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR DETECTING A PACK OF RADIO PULSES WITH AN ARBITRARY DEGREE OF COHERENCE AND A DEVICE FOR REALIZING SAID METHOD

Изобретение относится к способам и устройствам обнаружения радиосигналов в виде пачки радиоимпульсов, входящих в состав приемного тракта радиолокационных станций (РЛС) и радиоприемных устройств передачи информации.
Изобретение позволяет производить обнаружение радиоимпульсов при их произвольной степени когерентности, обусловленной изменениями условий распространения сигнала. При этом характеристики обнаружения устройства соответствуют когерентному обнаружению при когерентном сигнале и некогерентному при полностью некогерентных импульсах в пачке, а при некоторых условиях характеристики устройства лучше обоих этих обнаружителей.
п
п
Известны способы и устройства, как некогерентного обнаружения пачки радиоимпульсов, так и их когерентного обнаружения [2, 3, 4, 5, 6, 7], в которых принимаемое приемником колебание описывается выражением ξ(t)=θ⋅s(t)+n(t), на интервале времени 0≤t≤Т, где Т - длительность пачки радиоимпульсов, n(t) - гауссовский шум, θ=1 в случае наличия полезного сигнала s(t) на входе обнаружителя или θ=0 в случае отсутствия полезного сигнала s(t) на входе обнаружителя. В случае когерентного обнаружителя (КО) для вычисления решающей статистики (корреляционного интеграла) принимаемые радиоимпульсы пачки с периодом повторения Т на фоне шума n(t) сначала подаются на перемножитель с ожидаемым сигналом s(t), потом на интегратор, на линию задержки с отводами, время задержки между которыми составляет период повторения Т, на сумматор и на пороговое устройство. В случае превышения порога выходным сигналом сумматора принимается решение об обнаружении цели. Недостатком известных способов и устройств является то, что существенное влияние на характеристики обнаружителя оказывает синфазность принимаемых импульсов, которую, как правило для длинных пачек радиосигналов, обеспечить затруднительно, т.к. она нарушается в силу различных условий распространения в атмосфере и условий отражения от цели. Поэтому при когерентном накоплении длинных пачек сигналов имеются существенные потери. В таких условиях при искажениях начальных фаз в пачках оптимальным является некогерентный обнаружитель (НО). В схеме НО радиоимпульсы пачки подаются в два канала для перемножения с двумя ожидаемыми сигналами, сдвинутыми по фазе друг относительно друга на  В одном из каналов перемножение мгновенных значений сигнала на входе приемника производится с ожидаемым сигналом
а в другом из каналов с сигналом вида
где a(t) - амплитудный коэффициент, характеризующий амплитудные замирания радиосигнала, f(t-τ) и Ψ(t-τ) - функции, отображающие законы амплитудной и фазовой модуляции, медленно изменяющиеся по сравнению с колебаниями несущей частоты ω, τ - время запаздывания принимаемого сигнала относительно переданного, ϕ - фазовый сдвиг.
Затем сигналы с перемножителей поступают на интеграторы по времени, а после этого возводятся в квадрат. Сигналы с обоих каналов суммируются, затем вычисляется квадратный корень. Далее сигналы поступают на линию задержки с отводами, время задержки между которыми составляет период повторения Т, затем сигналы подаются на сумматор и на пороговое устройство, и в зависимости от уровня выходного сигнала относительно порога принимается решение о наличии либо об отсутствии цели. Недостатком НО является то, что уровень выходного полезного сигнала пропорционален величине  и не зависит от степени когерентности сигнала.
п
В качестве прототипа, заявляемого способа и устройства, рассмотрен известный способ и его оптимальный квазикогерентный приемник для сигнала у которого фаза имеет случайное распределение Тихонова [5]. Как и НО, оптимальный квазикогерентный обнаружитель содержит два квадратурных канала. Оба квадратурных канала оптимального квазикогерентного обнаружителя сигнала содержат блоки, осуществляющие перемножение мгновенных значений сигнала на входе приемника с двумя ожидаемым сигналами, сдвинутыми по фазе друг относительно друга на  интеграторы, осуществляющие интегрирование произведений, полученных в перемножителях, на интервале времени 0≤t≤Т, усилители с коэффициентами усиления  где N - амплитуда спектральной плотности мощности шума, детекторы, осуществляющие возведение в квадрат поступающих на них сигналов. Сигналы с обоих квадратурных каналов поступают на сумматор, и после этого суммируются и домножаются на коэффициент усиления 2λ в усилителе. Полученный на выходе сумматора сигнал поступает на линию задержки с отводами, время задержки между которыми составляет период повторения Т, затем на сумматор и на пороговое устройство.
Полезный сигнал s(t) имеет вид (1), и все параметры сигнала известны, за исключением начальной фазы ϕ. Начальная фаза ϕ считается случайной, имеющей априорную плотность вероятности Тихонова [5], т.е.
0
где λ - параметр когерентности I(λ) - функция Бесселя нулевого порядка.
Описание случайной начальной фазы при помощи плотности вероятности (2) включает в себя рассмотренные выше два примера (детерминированного сигнала и сигнала со случайной начальной фазой) как частные случаи. Это непосредственно следует из соотношений
Прием сигнала с точно известной фазой (когда λ→∞) является когерентным или синхронным, а прием сигнала со случайной и равномерно распределенной фазой (λ→0) называют некогерентным. В промежуточных случаях (конечных значений параметра λ) прием следует называть квазикогерентным или частично-когерентным.
Для указанных выше условий оптимальная структурная схема квазикогерентного приемника-обнаружителя реализует алгоритм [5]
где порог h согласно критерию Неймана-Пирсона определяется по заданной вероятности ложной тревоги,
Оптимальный квазикогерентный обнаружитель представляет собой линейную комбинацию оптимальных когерентного и некогерентного обнаружителей соответственно с весовыми коэффициентами 2λ и 1. При λ→0 получаем некогерентный обнаружитель, а при λ→∞ вклад некогерентного обнаружителя становится пренебрежимо малым и приходим к когерентному обнаружителю. На практике обычно стремятся получить по возможности большое значение параметра когерентности λ и поэтому часто ограничиваются использованием только когерентного приемника-обнаружителя [5].
Таким образом, при обнаружении пачки радиоимпульсов квазикогерентным приемником, изменяя в его схеме коэффициент усиления в диапазоне значений λ ∈ [0; ∞), можно переключиться с некогерентного приема сигнала на когерентный или квазикогерентный и наоборот. Основным недостатком является то, что значение параметра когерентности λ на этапе обнаружения цели неизвестно, и поэтому в случае значительных флуктуаций фазы схема прототипа не позволяет оптимальным образом накапливать пачку принимаемых импульсов. Априорно задать значение параметра λ не представляется возможным, например, как середину интервала его значений. Особенно сложно применить квазикогерентный обнаружитель, если в пачке принимаются n составляющих по k когерентных импульсов. Здесь общее число импульсов N=k⋅n, при этом k и n априорно неизвестно.
2
Техническая новизна предлагаемого обнаружителя пачки радиоимпульсов с произвольной степенью когерентности (ОПСК) заключается в том, что вместо использования схем КО, НО или квазикогерентного приемника Тихонова, в схему ОПСК, содержащему два канала, в одном из них включен НО, а во второй канал - приемник перемножений [1], выходы этих каналов объединяются по схеме «ИЛИ». Особенностью схемы ОПСК является то, что шумы, проникая в оба канала повышают вероятность ложной тревоги, которая больше по сравнению с вероятностью ложной тревоги НО или обнаружителя перемножений. Ниже будут представлены значения вероятности правильного обнаружения D для ОПСК, НО и КО в зависимости от отношения сигнал-шум q на входе приемника. Для достижения одинаковой с НО и КО вероятности ложной тревоги приходится несколько повысить значения порогов в каналах ОПСК относительно соответствующих порогов для НО и для приемника перемножений по отдельности.
Сущность предлагаемого способа и устройства заключается в том, что разработан обнаружитель пачки радиоимпульсов, который максимизирует вероятность правильного обнаружения на выходе схемы «ИЛИ» независимо от степени когерентности принимаемых радиоимпульсов.
Технический результат изобретения выражается в достижении практически максимальных значений вероятности правильного обнаружения при заданной вероятности ложной тревоги при произвольной степени когерентности принимаемых импульсов. По сути ОПСК автоматически определяет интервал когерентности сигналов в пачке и квазиоптимально проводит их обнаружение.
Указанный технический результат достигается тем, что способ обнаружения пачки радиоимпульсов с произвольной степенью когерентности, характеризующийся фильтрацией и критерийной обработкой пачки радиоимпульсов с помощью квадратичных детекторов и порогового устройства, при превышении импульсом порогового уровня принимается решение о наличии цели, и тем, что используют дополнительный канал с приемником перемножений импульсов пачки попарно без произведений самого импульса на себя, а модуль суммы произведений сравнивается с уровнем второго порогового устройства при превышении которого принимается решение о наличии цели, решения о наличии цели с обоих каналов объединяются по схеме «ИЛИ», что обеспечивает наилучшее обнаружение пачки импульсов независимо от степени их когерентности.
Устройство обнаружения пачки радиоимпульсов с произвольной степенью когерентности (ОПСК), содержащее согласованный фильтр для одиночного радиоимпульса, на вход которого подается пачка импульсов произвольной когерентности, выход которого соединен с входом многоотводной линией задержки (МЛЗ), количество выходов которой равно числу импульсов в пачке N, каждый выход МЛЗ соединен с входами группы квадратичных детекторов, выходы которых соединены с первым сумматором, выход которого в свою очередь соединен с входом первого порогового устройства, выход которого соединен с первым входом схемы ИЛИ, в устройство введен обнаружитель перемножений, который реализуется путем дополнительного введения группы (N-2) сумматоров, входы которых соединены с (N-K+1) выходами многоотводной линии задержки, где К-й номер выхода многоотводной линии задержки изменяется в пределах n+1…N, n=1...N-2, выход каждого сумматора и соответствующий К-й выход многоотводной линии задержки соединены с входом соответствующего из группы (N-1) умножителей, выходы которых соединены со входами второго сумматора, выход которого соединен с вычислителем модуля реальной части комплексного сигнала, а его выход соединен с умножителем на 2, выход умножителя соединен со вторым пороговым устройством, в свою очередь выход которого соединен со вторым входом схемы ИЛИ, выход которой является выходом устройства.
Изобретение поясняется чертежом, на котором представлена структурная схема ОПСК (фиг. 1) и зависимостями:
на фиг. 2 - Кривые обнаружения при приеме сигнала с коэффициентом когерентности r=0, принимаемого некогерентным приемником (кривая 1), ОПСК (кривая 2), когерентным приемником (кривая 3)
на фиг 3 - Кривые обнаружения при приеме сигнала с коэффициентом когерентности r=0.35, принимаемого некогерентным приемником (кривая 1), ОПСК (кривая 2), когерентным приемником (кривая 3)
на фиг. 4 - Кривые обнаружения при приеме сигнала с коэффициентом когерентности r=1, принимаемого некогерентным приемником (кривая 1), ОПСК (кривая 2), когерентным приемником (кривая 3).
на фиг.5 - Кривые обнаружения при приеме сигнала с 4 когерентными субпачками импульсов и коэффициентом когерентности r=0 между субпачками, принимаемого некогерентным приемником (кривая 1), ОПСК (кривая 2), когерентным приемником (кривая 3).
Обнаружитель пачки радиоимпульсов с произвольной степенью когерентности (ОПСК) содержит согласованный фильтр 1 для одиночного радиоимпульса 6, линию задержки 2 со временем задержки между соседними выводами, которое равно периоду повторения принимаемых импульсов Т, некогерентный обнаружитель 3, обнаружитель перемножений 4, и логическую схему «ИЛИ» 5. Некогерентный обнаружитель 3 содержит группу квадратичных детекторов 3.1, возводящих в квадрат поступающие на них сигналы, первый сумматор 3.2 и первое пороговое устройство 3.3. Обнаружитель перемножений 4 содержит группу частных сумматоров 4.1 и группу перемножителей 4.2, второй сумматор 4.3, блок взятия по модулю реальной части от комплексной величины 4.4, блок 4.5, осуществляющий умножение на 2 и второе пороговое устройство 4.6.
Выходы некогерентного обнаружителя 3 и обнаружителя перемножений 4 соединены со входами логической схемы «ИЛИ» 5, а также вход 6 и выход 7 ОПСК. Причем вход согласованного фильтра 1 является входом ОПСК, а выход элемента «ИЛИ» 5 является выходом принятия решения ОПСК.
Способ осуществляется следующим образом.
Сигнал на выходе когерентной обработки описывается выражениями:
где
где  - статистика, рассчитываемая на выходе НО, а  -статистика, рассчитываемая на выходе обнаружителя перемножений (ОП).
Плотности вероятности этих процессов:
- плотность вероятности когерентной пачки сигналов,
- плотность вероятности некогерентного накопления пачки сигналов,
- плотность вероятности накопления произведений импульсов пачки.
Таким образом, когерентный обнаружитель может быть представлен в виде двух параллельно включенных некогерентного и перемножений обнаружителей. При установке порогов в каждом канале предлагаемый обнаружитель не может быть хуже некогерентного, а при превышении порога в каждом канале предлагаемый обнаружитель приближается к когерентному.
1
2
3
n
Обнаружитель пачки радиоимпульсов с произвольной степенью когерентности работает следующим образом. На входы некогерентного обнаружителя 3 и обнаружителя перемножений 4 поступают оцифрованные отсчеты радиоимпульсов из принимаемой пачки Y, Y, Y… Y.
В некогерентном обнаружителе 3 осуществляется суммирование огибающих импульсов (т.е. прошедших через группу квадратичных детекторов), что отображено на схеме (фиг. 1), как сумма их квадратов. В обнаружителе перемножений вычисляются произведения
i
j
j
i
*
*
После получения произведений они суммируются во втором сумматоре 4.3. В связи с тем, что произведения YY и YY комплексно сопряжены, то их сумма является суммой их действительных значений. Поэтому для сокращения количества умножений в 2 раза берется по модулю действительная часть одного из произведений в 4.4 и умножается на 2 в блоке 4.5, затем сравнивается с порогом во втором пороговом устройстве 4.6 и объединяется с выходом НО по схеме ИЛИ 5.
Вероятность превышения порога для каждого из двух каналов при наличии сигнала от цели на входе приемника (вероятность правильного обнаружения) описывается выражениями:
Вероятность пропуска цели в обоих каналах приемника:
Вероятность правильного обнаружения цели в обоих каналах приемника:
Вероятность ложной тревоги (т.е. вероятность превышения порога для каждого из обоих каналов при отсутствии сигнала от цели на входе приемника) описывается выражениями:
Вероятность правильного необнаружения цели в обоих каналах приемника:
Вероятность ложной тревоги в обоих каналах:
-3
Применение предложенного ОПСК позволяет проводить обнаружение сигналов в виде пачки радиоимпульсов с произвольной степенью когерентности и характеристиками обнаружения (отношением сигнал-шум q и вероятностями правильного обнаружения D), близкими к лучшему из случаев обнаружения с помощью схемы КО, либо НО, что обеспечивает уверенное обнаружение сигнала без априорного знания степени их когерентности (фиг.2…фиг.4). Вероятность ложной тревоги постоянна для всех обнаружителей и равна для приведенных расчетов ~ 3 10.
В случае, когда длинная пачка из N радиосигналов разбивается на К когерентных субпачек, при этом если радиосигналы этих субпачек попарно некогерентные, предлагаемое устройство обнаружения обладает лучшими характеристиками по сравнению с КО и НО. На фиг.5 приведены характеристики обнаружения для N=12 и К=4 и плотностью распределения вероятности начальных фаз субпачек является равномерным на интервале [-π, π].
Устройство работает следующим образом.
Сигнал поступает в устройство обнаружения пачки радиоимпульсов с произвольной степенью когерентности (ОПСК) на согласованный фильтр 1 для одиночного радиоимпульса 6, на вход которого подается пачка импульсов произвольной когерентности, а с выхода которого поступает на вход многоотводной линии задержки (МЛЗ) 2, количество выходов которой равно числу импульсов в пачке N. При этом каждый выход МЛЗ соединен с входами группы квадратичных детекторов 3.1, сигналы выходов поступают через первый сумматор 3.2, на вход первого порогового устройства 3.3, на выходе которого получают первое решение об обнаружение цели. Кроме того параллельно работает обнаружитель перемножений, который реализуется путем дополнительного введения группы (N-2) сумматоров 4.1, входы которых соединены с (N-K+1) выходами многоотводной линии задержки 2, где К-й номер выхода многоотводной линии задержки 2 изменяется в пределах n+l…N, n=l…N-2, выход каждого сумматора 4.1 и соответствующий К-й выход многоотводной линии задержки 2 соединены с входом соответствующего из группы (N-1) умножителей 4.2, с выходов которых сигналы подаются на соответствующие входы второго сумматора 4.3, с выхода которого суммарный сигнал подается через последовательно соединенные вычислитель модуля реальной части комплексного сигнала 4.4 и умножитель на 2 под номером 4.5, на второе пороговое устройство 4.6, с выхода которого на второй вход схемы ИЛИ 5 поступает второе решение об обнаружении цели, выход 7 устройства формирует результирующий сигнал об обнаружении цели.
Список использованных источников
1. Латушкин В.В. Оценка эффективности накопления произведений импульсов когерентной пачки сигналов. /Радиотехника и электроника. №9. 1984.
2. Охрименко А.Е., Тосев И.Т. Анализ характеристик обнаружения систем междупериодной обработки. Радиотехника и электроника, 1971, т. 16, №1, с. 67.
3. Теоретические основы радиолокации. Под ред. Ширмана Я.Д. Учебное пособие для вузов. М., изд-во «Советское радио», 1970.
4. Радиоэлектронные системы: Основы построения и теория. Справочник. Изд. 2-е, перереб. и доп./ Под ред. Я.Д. Ширмана. - 2007. - 512 с: ил.
5. Тихонов В.И. Оптимальный прием сигналов. - М.: Радио и связь, 1983 -320 с.
6. Фединин В.В. Особенности оценки эффективности систем селекции движущихся целей с учетом некогерентного накопления импульсов. Радиотехника и электроника, 1981, т. 26, №5, с. 955.
7. Бакулев П.А. Радиолокационные системы. Учебник для вузов. Изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: Радиотехника, 2007. - 376 с., ил.