Способ автоматического обнаружения сигналов
AUTOMATIC SIGNAL DETECTION METHOD

Изобретение относится к радиотехнике, а именно – к способам автоматического обнаружения и измерения длительности сигналов, отраженных от малоразмерных объектов, в частности, от беспилотных летательных аппаратов (БПЛА).
Известен «Способ автоматического обнаружения сигналов» (Патент RU № 2480901, H03M 1/08 (2006.01), опубл. 27.04.2013. Бюл. № 12).
В известном способе принимают аналоговый сигнал z(t), оцифровывают его, для чего последовательно выполняют операции дискретизации, квантования и кодирования, формируют спектральное представление Fj, где j = 1, 2, … - порядковый номер спектральной компоненты, оцифрованного сигнала zi, где i = 1, 2, … - порядковый номер временного отсчета, затем рассчитывают параметры спектрального представления Sj, по значениям которых вычисляют пороговое значение уровня шума G, сравнивают параметры спектрального представления Sj с рассчитанным пороговым значением уровня шума G и по результатам сравнения принимают решение о факте обнаружения сигнала, отличающийся тем, что при формировании спектрального представления Fj оцифрованный сигнал zi предварительно делят на N равных фрагментов, над которыми независимо друг от друга выполняют преобразование Фурье {F1j, F2j, …, FNj}, а в качестве параметров спектрального представления Sj выбирают максимальные значения компонентов преобразования Фурье каждого из N фрагментов, причем решение о факте обнаружения сигнала принимают, если параметры спектрального представления хотя бы одного из фрагментов превысят пороговое значение уровня шума G. А пороговое значение уровня шума G рассчитывают раздельно для каждого из N фрагментов и выбирают равное утроенному значению усредненной суммы спектральных компонентов фрагмента.
Недостатком этого способа является ограниченность области применения, поскольку его реализация не обеспечивает определение длительности обнаруживаемого полезного сигнала.
Известен также «Способ автоматического обнаружения узкополосных сигналов» (Патент RU № 2382495, H04B 1/10 (2006.01), опубл. 20.02.2010, Бюл. № 5).
В известном способе принимают аналоговый сигнал z(t), оцифровывают его, для чего последовательно выполняют операции дискретизации, квантования и кодирования, затем рассчитывают параметры оцифрованного сигнала zi, сравнивают полученные параметры с предварительно заданным пороговым значением, и по результатам сравнения принимают решение о факте обнаружения сигнала, отличающийся тем, что для расчета параметров оцифрованного сигнала zi формируют его спектральное представление Fj, путем выполнения над ним преобразования Фурье, рассчитывают пороговый уровень шума U, путем вычисления удвоенного значения выборочного среднего компонента спектрального представления Fj, сравнивают уровни каждой из спектральных компонент из последовательности спектрального представления Fj с вычисленным пороговым уровнем шума U, и формируют первую F1j и вторую F2j последовательности соответственно из спектральных компонент Fj, превысивших пороговый уровень шума U и не превысивших его, затем раздельно суммируют компоненты, входящие в первую ΣF1 и вторую ΣF2 последовательности, после чего вычисляют соотношение R, как отношение найденных сумм R = ΣF1 / ΣF2 и сравнивают с предварительно заданным пороговым значением Rпор, а решение о факте обнаружения сигнала принимают при условии, что R > Rпор, при том, что пороговое значение Rпор выбирается в интервале Rпор = 0,13-0,15.
Недостатком этого способа является ограниченность области применения, поскольку его реализация не обеспечивает определение длительности обнаруживаемого полезного сигнала.
Наиболее близким техническим решением к заявленному изобретению является «Способ автоматического обнаружения узкополосных сигналов», (Патент RU № 2419968, H04B 1/10 (2006.01), опубл. 27.05.2011, Бюл. № 15).
В известном способе принимают аналоговый сигнал z(t), оцифровывают его, для чего последовательно выполняют операции дискретизации, квантования и кодирования, затем рассчитывают параметры оцифрованного сигнала zi, сравнивают полученные параметры с предварительно вычисленным пороговым значением уровня шума U и по результатам сравнения принимают решение о факте обнаружения сигнала, для расчета параметров оцифрованного сигнала z его разделяют на две равные последовательности: z1 и z2, соответствующие первой и второй половинам оцифрованного сигнала z. Рассчитывают функцию взаимной корреляции К, между последовательностями z1 и z2 и формируют ее спектральное представление Fj, где j = 1, 2, … - номера спектральных компонент функции взаимной корреляции, путем выполнения над ней преобразования Фурье. Пороговое значение уровня шума U вычисляют путем умножения среднего значения компонент спектрального представления Fj на коэффициент Q. Сравнивают уровень каждой из спектральных компонент Fj с предварительно вычисленным пороговым значением уровня шума U и при выполнении, по крайней мере, для одной из j-х компонент условия Fj > U фиксируют факт обнаружения узкополосного сигнала. Значение Q выбирают в интервале Q = 3,5-4,5.
Недостатком этого способа является ограниченность области применения, поскольку его реализация не обеспечивает определение длительности обнаруживаемого полезного сигнала.
Задачей изобретения является создание способа, обеспечивающего определение временного интервала между максимальными значениями пары функций, у одной из которых усреднение дискретных компонент оцифрованного аналогового сигнала в пределах заданных границ интервала усреднения начинаются с минимального значения, а у другой – с максимального значения.
Техническим результатом является возможность обнаружение полезного сигнала и установление его длительности.
Заявляемый технический результат достигается тем, что в известном способе автоматического обнаружения сигналов, заключающегося в том, что принимают аналоговый сигнал, оцифровывают его, для чего последовательно выполняют операции дискретизации, квантования и кодирования, производят вычисления, производят сравнение, принимают решение о факте обнаружения сигнала, дополнительно задают границы интервала усреднения, в пределах которого производят суммирование модуля дискретных компонент оцифрованного аналогового сигнала, последовательно изменяя границы интервала усреднения от наименьшего значения до максимально заданного, попарно формируют две новые функции путем последовательного усреднения дискретных компонент оцифрованного аналогового сигнала в пределах заданных границ интервала усреднения, у одной функции начиная с минимального значения, а у другой – с максимального значения, затем производят вычисления, в результате которых для каждой пары новых функций в их сформированных совокупностях отыскиваютмаксимальные значения, и отбирают только ту пару новых функций, у которых на длительности их сформированных совокупностей имеется только одно максимальное значение, при наличии у одной из пар новых функций на длительности их сформированных совокупностей только одного максимального значения принимают решение о факте обнаружения сигнала, после чего производят сравнения, в результате которых каждой из отобранных новых функций ставят в соответствие временные дискретные значения, на которых они принимают максимумы, вычисляют разницу между временными дискретными значениями, на которых отобранные новые функции принимают максимумы, вычисленную разницу считают равной длительности обнаруживаемого сигнала.
Благодаря новой совокупности существенных признаков в заявленном способе обеспечивается обнаружение полезного сигнала и установление его длительности.
Заявляемый технический результатдостигается за счет того, что единственный максимум у функции, сформированной путем последовательного усреднения дискретных компонент оцифрованного аналогового сигнала в пределах заданных границ интервала усреднения, возникает только тогда, когда интервал усреднения становится равным длительности обнаруживаемого сигнала.
Заявленный способ поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 представлены временная реализация обнаруживаемого сигнала s(t), находящегося в обрабатываемой выборке оцифрованного аналогового сигнала z(t) = s(t) + x(t), содержащего полезный сигнал s(t) и шумы x(t) (отношение сигнал/шум (ОСШ) = 30 дБ), новая функция w1(t) – результат последовательного усреднения дискретных компонент оцифрованного аналогового сигнала z(t) в пределах заданных границ интервала усреднения, начиная с минимального значения; новая функция w2(t) – результат последовательного усреднения дискретных компонент оцифрованного аналогового сигнала z(t) в пределах заданных границ интервала усреднения, начиная с минимального значения (интервал усреднения равен длительности полезного сигнала Т);
на фиг. 2 представлены временная реализация обнаруживаемого сигнала s(t), находящегося в обрабатываемой выборке оцифрованного аналогового сигнала z(t) = s(t) + x(t), содержащего полезный сигнал s(t) и шумы x(t) (ОСШ = 30 дБ), новая функция w1(t) – результат последовательного усреднения дискретных компонент оцифрованного аналогового сигнала z(t) в пределах заданных границ интервала усреднения, начиная с минимального значения; новая функция w2(t) – результат последовательного усреднения дискретных компонент оцифрованного аналогового сигнала z(t) в пределах заданных границ интервала усреднения, начиная с минимального значения (интервал усреднения меньше длительности полезного сигнала Т);
на фиг. 3 представлены временная реализация обнаруживаемого сигнала s(t), находящегося в обрабатываемой выборке оцифрованного аналогового сигнала z(t) = s(t) + x(t), содержащего полезный сигнал s(t) и шумы x(t) (ОСШ = 30 дБ), новая функция w1(t) – результат последовательного усреднения дискретных компонент оцифрованного аналогового сигнала z(t) в пределах заданных границ интервала усреднения, начиная с минимального значения; новая функция w2(t) – результат последовательного усреднения дискретных компонент оцифрованного аналогового сигнала z(t) в пределах заданных границ интервала усреднения, начиная с минимального значения (интервал усреднения больше длительности полезного сигнала Т);
на фиг. 4 представлены временная реализация обнаруживаемого сигнала s(t), находящегося в обрабатываемой выборке оцифрованного аналогового сигнала z(t) = s(t) + x(t), содержащего полезный сигнал s(t) и шумы x(t) (ОСШ = 3 дБ), новая функция w1(t) – результат последовательного усреднения дискретных компонент оцифрованного аналогового сигнала z(t) в пределах заданных границ интервала усреднения, начиная с минимального значения; новая функция w2(t) – результат последовательного усреднения дискретных компонент оцифрованного аналогового сигнала z(t) в пределах заданных границ интервала усреднения, начиная с минимального значения (интервал усреднения равен длительности полезного сигнала Т).
Аналитически процедуру формирования функции w1(t) последовательного усреднения дискретных компонент оцифрованного аналогового сигнала z(t) в пределах заданных границ интервала усреднения, начиная с минимального значения, можно представить следующим образом
,                                         (1)
где N – количество временных отсчетов интервала усреднения; τ – текущий отчет сдвига на интервале усреднения.
Соответственно, процедуру формирования функции w2(t) последовательного усреднения дискретных компонент оцифрованного аналогового сигнала z(t) в пределах заданных границ интервала усреднения, начиная с максимального значения, можно представить следующим образом
.                                         (2)
В ходе проведения исследования установлено, что если в формируемой функции усреднение осуществлять начиная с минимального значения, то временное положение ее максимума соответствует временному положению начала фронта обнаруживаемого сигнала. А если с максимального – то временное положение формируемого ее максимума соответствует временному положению начала спада обнаруживаемого сигнала.
В качестве примера на фиг. 1 показан результат формирования функций w1(t) и w2(t) по входной реализации оцифрованного аналогового сигнала z(t) при ОСШ = 30 дБ. На фиг.1 четко видно, что временные значения максимумов w1(t) и w2(t) соответствуют временным границам, определяющим длительность полезного сигнала s(t), равную Т.
В ходе исследования установлено, что в случае несовпадения интервала усреднения длительности полезного сигнала Т, как функция w1(t), так и функция w2(t), будут иметь максимум на нескольких временных отсчетах. То есть получается не один, а несколько максимумов.
В качестве примера, на фиг. 2 показаны условия, соответствующие данным эксперимента, результаты которого показаны на фиг. 1, но при этом интервал усреднения меньше длительности полезного сигнала Т.
Отчетливо видно, что функции w1(t) и w2(t) имеют протяженный максимум, т.е. максимальное значение сохраняется на длительности нескольких временных отсчетов.
Аналогичная ситуация и в случае, если интервал усреднения больше длительности полезного сигнала Т, см. фиг. 3. На фиг. 3 отчетливо видно, что функции w1(t) и w2(t) имеют протяженный максимум, т.е. максимальное значение сохраняется на длительности нескольких временных отсчетов.
Полученный эффект сохранения единственного максимума функций w1(t) и w2(t) при условии, когда интервал усреднения равен длительности обнаруживаемого полезного сигнала Т, положен в основу технического решения заявляемого способа.
Реализация заявленного способа осуществляетсяследующим образом.
1. Принимают аналоговый сигнал, оцифровывают его, для чего последовательно выполняют операции дискретизации, квантования и кодирования.
Принимают входную реализацию в виде аналогового сигнала z(t), который может содержать или только шум х(t), т.е. z(t) = х(t), или полезный сигнал s(t) и шум x(t), т.е. z(t) = s(t) + х(t).
Прием может осуществляться, например, с тракта промежуточной или низкой частоты радиоприемного устройства.
Процедуры приема аналогового сигнала известны, и, например, рассмотрены в, см. [Способ распознавания радиосигналов, Патент RU № 2356064, Опубликовано: 20.05.2009. Бюл. № 14].
Процедуры дискретизации, квантования и кодирования аналогового сигнала известны, и, например, рассмотрены в, см. [Способ распознавания радиосигналов, Патент RU № 2261476, Опубликовано: 27.09.2005. Бюл. № 27].
2. Задают границы интервала усреднения, в пределах которого производят суммирование модуля дискретных компонент оцифрованного аналогового сигнала.
Границы интервала выбирают по результатам предварительного расчета таким образом, чтобы они были изначально шире длительности обнаруживаемого полезного сигнала.
Например, если длительность полезного сигнала равна Т, то границы интервала усреднения, согласно формулам (1) и (2), должны быть N > Т.
3. Последовательно изменяяграницы интервала усреднения от наименьшего значения, до максимально заданного, попарно формируют две новые функции путем последовательного усреднения дискретных компонент оцифрованного аналогового сигнала в пределах заданных границ интервала усреднения, у одной функции начиная с минимального значения, а у другой – с максимального значения.
Аппаратное решение данной процедуры предполагает использование интеграторов. Формализованное представление реализации указанных процедур обеспечивают формулы (1) и (2).
Изменение границы интервала усреднения от наименьшего значения предполагает, что N, в формуле (1) и (2) меняют в пределах N1 < N < N2. Где N1 – наименьшее значение интервала, N2 – максимально заданное значение интервала.
Попарное формирование предполагает, что расчет w1(t) и w2(t) происходит для одинаковых значений интервала усреднения в границах N1 < N < N2. Поэтому каждая из функций находящихся в паре, должна быть рассчитана при одинаковом значении N.
4. Производят вычисления, в результате которых для каждой пары новых функций в их сформированных совокупностях отыскивают максимальные значения.
В результате реализации этапа 3 формируетсяМ = N2 – N1 пар функций w1(t) и w2(t), при заданной дискретности шага между N2 и N1, определенных как новые функции.
,
значению
Для каждой пары функций вычисляютмаксимальные значения. Из полученной совокупности выбирают ту пару у которой максимальная величина соответствует только одному временному дискретному .
Процедуры вычисления отыскания максимума известны, см. [Способ обнаружения сигналов без несущей. Патент RU № 2484581, H04B 1/10 (2006.01). Опубликовано: 10.06.2013. Бюл. № 16] и [Способ и устройство формирования сигналов квадратурной амплитудной манипуляции. Патент RU № 2486681 C1, H04L 7/00 (2006.01). Опубликовано: 27.06.2013 Бюл. № 18].
5. Отбирают только ту пару новых функций, у которых на длительности их сформированных совокупностей имеется только одно максимальное значение, при наличии у одной из пар новых функций на длительности их сформированных совокупностей только одного максимального значения принимают решение о факте обнаружения сигнала.
6. Производят сравнения, в результате которых каждой из отобранных новых функций ставят в соответствие временные дискретные значения, на которых они принимают максимумы.
Реализация указанных процедур известна, см. [Дворников С.В., Яхеев А.Ф. Метод измерения параметров кратковременных сигналов на основе распределения Алексеева // Информация и космос. 2011. № 1. С. 66-74].
7. Вычисляют разницу между временными дискретными значениями, на которых отобранные новые функции принимают максимумы, вычисленную разницу считают равной длительности обнаруживаемого сигнала.
Таким образом, благодаря новой совокупности существенных признаков в заявленном способе обеспечивается обнаружение полезных сигналов, отраженных от малоразмерных объектов, в частности, от БПЛА, и определение их длительностей.