СПОСОБ ФИЛЬТРАЦИИ И ОБНАРУЖЕНИЯ ФЛУКТУИРУЮЩЕЙ ПАЧКИ РАДИОИМПУЛЬСОВ
METHOD OF FILTERING AND DETECTING FLUCTUATING RADIOPULSE PACKET

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах радиосвязи, радиолокации, в диагностических, а также других разнообразных информационных системах передачи, приема и извлечения информации, а именно изобретение может иметь широкий класс применений как при приеме, обнаружении одиночных радиоимпульсов и их разнообразных последовательностей, так и измерении их неизвестных несущих частот. Изобретение может применяться также в информационных системах с повышенной помехозащищенностью, использующих сложные сигналы с большой базой с изменяющимися несущими частотами, для формирования баз данных.
Известны способы обработки на фоне шумов радиоимпульса и его последовательностей: 1. Теория обнаружения сигналов. / П.С.Акимов, П.А.Бакут, В.А.Богданович и др.,: под редакцией П.А.Бакута. - М.: Радио и связь, 1984 - 440 с.2. Неволин В.И. Робастные информационные системы. Методы синтеза и анализа. - М.: Радио и связь, 2008. - 312 с.: ил.; 3. Тихонов В.И., Миронов М.А. Марковские процессы. - М.: Советское радио, 1977; 4. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники в 3-х кн. - М.: Советское радио, 1976. - Кн.3. - 285 с.; 5. Помехозащищенность систем радиосвязи с расширением спектра сигналов модуляцией псевдослучайной последовательностью. // В.И.Борисов, В.М.Зинчук, А.Е.Лимарев, Н.П.Мухин, Г.С.Нахамсон; под ред. В.И.Борисова. - М.: Радио и связь, 2003.
1
2
С помощью указанных известных способов обработки радиоимпульса при приеме на фоне шума могут решаться задачи фильтрации и обнаружения радиоимпульса, распределение несущей частоты ω которого принадлежит некоторому ограниченному не параметризированному семейству в диапазоне частот [ω÷ω]. Т.е. наблюдается действительный случайный процесс
0
0
0
u
Здесь А - известный амплитудный множитель, определяющий мощность радиоимпульса; φ - случайная начальная фаза с равномерным распределением на интервале [0,2π], f(•) - функция огибающей радиоимпульса, причем ||f(•)||=1;  - вектор как известных, так и неизвестных параметров огибающей так, что ∈A- множеству соответствующего эвклидова пространства, например, для прямоугольной огибающей  и  - соответственно начальное положение и длительность радиоимпульса); θ=0,1 - случайная величина, n(t) - может быть БГШ с нулевым средним и интенсивностью N или какой-либо другой шум, τ≤Т - время наблюдения.
В конкретных представлениях на фоне шумов известными способами обычно производится обработка следующих радиоимпульсов с известной амплитудой и неизвестными начальной фазой и (или) частотой
0
0
0
u
s(t)=Аcos(ωt+φ),t∈[t,t+τ],
0
0
u
где A, t, τ - известные соответственно амплитуда, начальное положение и длительность радиоимпульса, ω, φ - неизвестные соответственно частота и начальная фаза, вид и параметры распределения которых в общем случае, как отмечено выше (2), не заданы или заданы не параметрическим образом. Как правило, известные способы используют обычно метод максимального правдоподобия, что во многих практических случаях является вполне приемлемым. Однако эти способы становятся неэффективными, а именно являются недостаточно помехоустойчивыми при малых отношениях сигнал/шум, приближающихся к единичным.
Наиболее близким к заявляемому является способ синхронного детектирования (6. Тихонов В.И. Оптимальный прием сигналов. М.: Радио и связь, 1983, с.30), т.е. способ синхронной обработки наблюдаемой смеси радиоимпульса (квазигармонического сигнала) с аддитивным шумом. При этом в способе синхронного детектирования наблюдаемую аддитивную смесь радиоимпульса с шумом синхронно и синфазно обрабатывают (фильтруют) синхронным детектором (в совокупности с интегратором со сбросом, входящим в состав синхронного детектора), использующим опорное колебание, и при обнаружении проводят проверку для альтернативных гипотез бинарным решающим правилом. Причем тогда для гауссовского шума на интервале длительности радиоимпульса для известных условий наблюдения и заданных параметров радиоимпульса для этого импульса реализуется оптимальная байесовская обработка с максимальной помехоустойчивостью. Однако при неизвестных частоте и начальной фазе как в алгоритме синхронного детектирования, так и в других способах реальная помехоустойчивость может быть существенно меньшей максимальной.
Техническая задача изобретения - повышение помехоустойчивости синхронного способа детектирования при фильтрации и обнаружении принимаемой сильно флуктуирующей пачки радиоимпульсов на фоне шума.
Указанная задача решается тем, что способ фильтрации и обнаружения флуктуирующей пачки радиоимпульсов, включающий наблюдение аддитивной смеси радиоимпульсов с неизвестными частотами и начальными фазами на фоне шума, синхронную и синфазную фильтрацию каждого радиоимпульса, характеризуется тем, что первоначально для каждого радиоимпульса формируют первичную адаптивную робастную оценку несущей частоты радиоимпульса,затем на основе первичной оценки частоты создают синфазную длинную последовательность радиоимпульсов в виде квазигармонического сигнала, далее в этой синфазной длинной последовательности радиоимпульсов организуют постоянный или переменные интервалы между каждыми радиоимпульсами длинной последовательности, являющимися синфазными для радиоимпульсов и не синфазными для шума, а также организуют суммирование синфазных для радиоимпульсов и несинфазных для шума частей длинной последовательности,
затем для организованной таким образом синфазной длинной последовательности радиоимпульсов выполняют интерполяцию полученного квазигармонического сигнала на интервале длинной последовательности линейными, путем узкополосной линейной фильтрации, и нелинейными, путем фазовой автоподстройкой частоты или робастной узкополосной фильтрацией, методами, и по сглаженному квазигармоническому сигналу производят с использованием узкополосной инерционной фазовой автоподстройки частоты оценку как начальной фазы, так и финальную оценку несущей частоты соответствующего радиоимпульса пачки наблюдаемой смеси, затем после проведения оценок осуществляют когерентную задержку обрабатываемого радиоимпульса наблюдаемой смеси до момента стационарного состояния процесса интерполяции, осуществляют обнаружение обрабатываемого радиоимпульса за счет синхронного детектирования, а окончательно после проведения обнаружений каждого радиоимпульса пачки осуществляют обнаружение всей флуктуирующей пачки методом синфазного суммирования радиоимпульсов и/или методом когерентного суммирования для сильно флуктуирующей пачки соответствующих синхронно детектированных видеоимпульсов.
Указанная задача решается тем, что в случае неизвестных как начальной фазы, так и частоты (т.е. в случае сильно флуктуирующей пачки радиоимпульсов) производятся адаптивные робастные оценки неизвестной частоты -  согласно общей концепции робастного подхода (2) в задачах непараметрического обнаружения на фоне шумов. На основе этих первоначальных оценок, которые могут быть и смещенными, однако, с приемлемой первоначальной погрешностью, реализуются дальнейшие процедуры заявляемого синхронного робастного способа. Если же по условию решаемых задач частота является известной (заданной, т.е. в случае флуктуирующей пачки радиоимпульсов), то тогда в заявляемом способе процедуры реализуются только со второго раздела и вместо оценок  используются непосредственно заданные частоты.
При использовании оценок частот  на основе наблюдаемых реализаций радиоимпульса и шума конструируется длинная синфазная последовательность радиоимпульсов (синфазная пачка радиоимпульсов), длительность которой определяется выбранным методом вынесения оценок начальных фаз. Снижение влияния помех кроме синхронной обработки достигается также методами робастной нелинейной фильтрации при проведении реализуемых или нереализуемых робастных оценок частоты, а так же в процессе конструирования длинных последовательностей. Данные последовательности могут быть как с постоянными, так и переменными интервалами между импульсами, а также с суммированием отдельных участков синфазной пачки, что является синфазным для сигнала - радиоимпульса и произвольным для помеховой составляющей. Таким образом, как непосредственно, так и в дальнейших сглаживающих алгоритмах отдельные импульсы пачки будут суммироваться синфазно, а помехи - случайно, так как конструирование длинных последовательностей производится по параметрам радиоимпульсов. В спектральном представлении подобное конструирование длинной последовательности обуславливает подъем спектральных составляющих радиоимпульса в районе частоты  и подавление спектральных составляющих помех.
К смоделированной длинной последовательности радиоимпульсов применяются операции узкополосной линейной или нелинейной робастной фильтрации с последующей достаточно длительной процедурой вынесения оценок начальных фаз. При этом канал вынесения оценок начальных фаз должен иметь помехозащищенность, существенно превышающую помехозащищенность заявляемого способа. Это достигается как узкополосностью этого канала, а значит и длительным временем вынесения оценок начальных фаз, так и применением узкополосного линейного или нелинейного робастного узкополосного сглаживания.
При вынесении оценок начальных фаз могут быть уточнены оценки частоты как финальные. Таким образом, в данном заявляемом способе фильтрации и обнаружения сильно флуктуирующей пачки радиоимпульсов на фоне шумов также производятся вынесения помехоустойчивых робастных совместных оценок неизвестных частот и начальных фаз.
Заключительной процедурой в заявляемом способе является когерентная синхронная обработка наблюдаемой смеси радиоимпульса по истечении переходных процессов в предшествующих процедурах, т.е. выполнение синхронного детектирования реализуется после соответствующих задержек наблюдений. В результате синхронного детектирования для сильно флуктуирующей пачки радиоимпульсов формируется когерентная последовательность видеоимпульсов, которая окончательно обрабатывается когерентным накоплением. Таким образом, при соответствующих параметрах помехозащищенности каналов оценок частоты и начальной фазы помехоустойчивость заявляемого способа близка к максимальной, чем и обеспечивается решение поставленной задачи.
Промышленная применимость
Способ фильтрации и обнаружения сильно флуктуирующей пачки радиоимпульсов с неизвестными частотами и начальными фазами на фоне шума может быть применен в различных областях радиотехники и других разнообразных информационных систем передачи, приема, извлечения информации в системах радиолокации, радиосвязи, в системах синхронизации и т.д. И для флуктуирующей пачки радиоимпульсов повышение помехоустойчивости может произведено до 10-20 дБ, а для сильно флуктуирующей пачки радиоимпульсов более 20 дБ. Этот способ также может эффективно использоваться для различных систем при формировании зашумленных баз данных.