АДАПТИВНЫЙ ДВУХПОРОГОВЫЙ ОБНАРУЖИТЕЛЬ СИГНАЛОВ ЦИФРОВОГО ПАНОРАМНОГО ПРИЕМНИКА МОДУЛЬНОГО ТИПА
ADAPTIVE DOUBLE-THRESHOLD DETECTOR OF MODULAR DIGITAL PANORAMIC RECEIVER SIGNALS

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в панорамных приемниках станций радиопомех, радиопеленгаторах, средствах радиомониторинга и аналогичных устройствах для обнаружения источников радиоизлучения (ИРИ), функционирующих в условиях шума неизвестной интенсивности.
Известен энергетический обнаружитель неизвестного сигнала только по оценке мощности (энергии) наблюдаемого процесса, который включает последовательно соединенные приемную антенну, линейный (широкополосный) тракт приемника, полосовой фильтр, квадратичный детектор, пороговое устройство, в котором реализуется наиболее часто используемый в панорамных приемниках критерий принятия решения Неймана-Пирсона [см. В.И. Борисов и др. Пространственные и вероятностно-временные характеристики эффективности станций ответных помех при подавлении систем радиосвязи./Под ред. В.И. Борисова. - М.: РадиоСофт, 2008. с.62]. Достоинством такого обнаружителя является возможность обеспечить требуемую вероятность пропуска сигнала при заданной вероятности ложной тревоги в условиях отсутствия априорных данных о радиоизлучении при обнаружении сигнала с неизвестной фазой и флуктуирующей амплитудой на фоне шума неизвестной интенсивности. Однако применение такой обработки подразумевает при высоких требованиях к вероятности пропуска сигнала и заданной чувствительности приемника наличие высокой вероятности ложных тревог вследствие фиксированного уровня порога обнаружения, что приводит к неадекватности отображения радиоэлектронной обстановки (РЭО) (электромагнитной обстановки (ЭМО)) в анализируемой полосе частот и, как следствие, к увеличению длительности анализа РЭО, вследствие необходимости проведения процедуры идентификации с целью исключения из обработки ложных тревог.
Известен обнаружитель [В.Г. Репин, Г.П. Тартаковский. Статистический синтез при априорной неопределенности и адаптация информационных систем. М.: Сов. радио, 1977, с.432] в шумах некоррелированного флуктуирующего сигнала с неизвестной статистикой флуктуации, реализующий способ обнаружения сигналов по критерию Неймана-Пирсона, содержащий первый и второй квадратурные фазовые детекторы, генератор опорной частоты, фазовращатель на 90°, первый и второй интеграторы, первый и второй квадратичные детекторы, сумматор и пороговое устройство. Причем объединенные первые входы первого и второго квадратурных фазовых детекторов являются входом устройства, на второй вход первого квадратурного фазового детектора подается напряжение опорной частоты от генератора опорной частоты, на второй вход второго квадратурного фазового детектора подается напряжение опорной частоты с выхода фазовращателя на 90°, вход которого подключен к выходу генератора опорной частоты, выходы первого и второго квадратурных фазовых детекторов соединены с входами первого и второго интеграторов соответственно, выходы первого и второго интеграторов соединены, соответственно, с входами первого и второго квадратичных детекторов, выходы первого и второго квадратичных детекторов подключены к соответствующим входам сумматора, выход сумматора подключен к входу порогового устройства, выход которого является выходом обнаружителя.
Существенным недостатком обнаружителя такого типа является то, что фиксация порога обнаружения в условиях интенсивности шума, неизвестной на момент наблюдения, уменьшает эффективность обнаружения сигнала ИРИ за счет увеличения числа ложных тревог при высоких требованиях к вероятности обнаружения сигнала, что приводит к неадекватности результатов анализа РЭО при априорной неопределенности загруженности источниками радиоизлучений контролируемой полосы частот и увеличению времени анализа РЭО, вследствие необходимости проведения процедуры идентификации сигнальных составляющих от шумовых.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является обнаружитель [Борисов В.И. и др. Пространственные и вероятностно-временные характеристики эффективности станций ответных помех при подавлении систем радиосвязи./Под ред. В.И. Борисова. - М.: РадиоСофт, 2008. - рис.2.9.3, с.131] сигналов со случайной амплитудой и начальной фазой в шумах неизвестной интенсивности с поддержанием постоянного уровня ложных тревог и принятием решения по критерию Неймана-Пирсона, содержащий основной канал обнаружения, включающий первый и второй квадратурные фазовые детекторы, косинусно-синусный генератор (КСГ), первый и второй интеграторы, первый и второй квадратичные детекторы, сумматор и пороговое устройство, при этом объединенные первые входы первого и второго квадратурных фазовых детекторов являются входом устройства, вторые входы первого и второго квадратурных фазовых детекторов соединены, соответственно, с выходами квадратурных составляющих (синусной и косинусной) опорной частоты КСГ, выходы первого и второго квадратурных фазовых детекторов соединены с входами первого и второго интеграторов, соответственно, выходы первого и второго интеграторов соединены, соответственно, с входами первого и второго квадратичных детекторов, выходы которых подключены к первому и второму входам сумматора, соответственно, выход которого соединен с объединенными первыми входами блока вычитания и порогового устройств, соответственно, выход которого является выходом обнаружителя, дополнительный канал обнаружения, состоящий из последовательно соединенных третьего квадратичного детектора и интегратора, при этом вход дополнительного канала подключен к входу устройства, а выход соединен со вторым входом блока вычитания, выход которого подключен ко второму входу порогового устройства.
Недостатком рассмотренного обнаружителя сигналов со случайной амплитудой и начальной фазой в шумах неизвестной интенсивности является то, что дисперсия шума оценивается при условии отсутствия сигнала в канале обнаружения. Кроме того, обнаружение сигнала со случайной амплитудой и начальной фазой в шумах неизвестной интенсивности с поддержанием постоянного уровня ложных тревог и принятием решения по критерию Неймана-Пирсона обуславливается наличием достаточно высокого уровня вероятности ложной тревоги при заданных высоких требованиях к вероятности обнаружения сигнала и чувствительности приемника. Это приводит к увеличению времени анализа РЭО.
Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками заявляемого изобретения, являются: основной канал обнаружения, включающий первый и второй квадратурные фазовые детекторы, КСГ, первый и второй интегратор, первый и второй квадратичные детекторы, сумматор, пороговое устройство, дополнительный канал обнаружения, включающий квадратичный детектор, интегратор и вычитающее устройство.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является сокращение времени анализа РЭО при заданной достоверности его результатов в условиях априорной неопределенности о загрузке источниками радиоизлучений контролируемой полосы частот цифровым панорамным приемником, осуществляющим обнаружение с флуктуирующей амплитудой и случайной начальной фазой в шуме с неизвестной, на момент наблюдения, интенсивностью, за счет уменьшения количества ложных тревог на основе реализации в обнаружителе процедуры адаптивного изменения уровня порога обнаружения на основе одновременного оценивания средней мощности сигнала и средней дисперсии шума в канале обнаружения, а также повышение его быстродействия за счет использования цифровой обработки сигналов.
Техническим результатом изобретения является уменьшение количества ложных тревог (ложных ИРИ) на выходе обнаружителя цифрового панорамного приемника в процессе анализа РЭО на основе реализации одновременного оценивания средней мощности сигнала и средней дисперсии шума в канале обнаружения и повышение быстродействия обнаружителя на основе использования цифровой обработки сигналов.
0
1
д
2
0
д
1
2
Технический результат достигается за счет того, что к известному обнаружителю, взятому за прототип, содержащий основной канал обнаружения, включающий первый и второй квадратурные фазовые детекторы, КСГ, первый и второй интеграторы, первый и второй квадратичные детекторы, сумматор и пороговое устройство, при этом объединенные первые входы первого и второго квадратурных фазовых детекторов являются входом устройства, вторые входы первого и второго квадратурных фазовых детекторов соединены, соответственно, с выходами квадратурных составляющих (синусной и косинусной) опорной частоты КСГ, выходы первого и второго квадратурных фазовых детекторов соединены с входами первого и второго интеграторов, соответственно, выходы первого и второго интеграторов соединены, соответственно, с входами первого и второго квадратичных детекторов, выходы которых подключены к первому и второму входам сумматора, соответственно, выход которого соединен с объединенными первыми входами блока вычитания и порогового устройства, соответственно, дополнительный канал обнаружения, состоящий из последовательно соединенных третьего квадратичного детектора и третьего интегратора, при этом вход дополнительного канала подключен к входу устройства, а выход соединен со вторым входом блока вычитания, выход которого подключен ко второму входу порогового устройства, в блоке вычитания осуществляется оценка средней дисперсии шума, которая является пороговым уровнем в пороговом устройстве по второму входу, отличающийся тем, что на объединенные входы основного и дополнительного каналов обнаружения, которые являются входом устройства, поступает двоичный код уровня аддитивной смеси сигнала и шума в виде цифровых отсчетов, последовательно соединенные регистр хранения заданных значений вероятности обнаружения сигнала P и блока вычисления нижнего H уровня порога обнаружения, последовательно соединенные регистр хранения коэффициента достоверности K и блока вычисления верхнего H уровня порога обнаружения, переключатель, дополнительное пороговое устройство, индикатор и программируемый интерфейс, вход которого подключен к шине управления панорамного радиоприемника; первый и второй выходы программируемого интерфейса подключены к регистру хранения заданных значений вероятности обнаружения сигнала P и регистру хранения коэффициента достоверности K, соответственно, третий выход программируемого интерфейса соединен с индикатором, первый вход переключателя подключен к выходу порогового устройства, второй и третий входы переключателя соединены, соответственно, с выходами блоков вычисления нижнего H и верхнего H уровней порога обнаружения, выход переключателя соединен со вторым входом дополнительного порогового устройства, первый вход которого подключен к выходу третьего интегратора, выход дополнительного порогового устройства является выходом обнаружителя.
Сущность изобретения заключается в следующем. В целях сокращения времени анализа РЭО (электромагнитной обстановки (ЭМО)) для заданной достоверности ее анализа при реализации оптимального способа обработки аддитивной смеси сигнала со случайной амплитудой и начальной фазой в шуме с неизвестной, на момент наблюдения, интенсивностью предлагается адаптивная дискретная регулировка уровня порога обнаружения, верхний уровень которого автоматически подключается по результатам сравнения средних мощностей сигнала  и шума  в основном и дополнительном каналах обнаружения. Обнаружение в шуме неизвестной интенсивности узкополосных радиосигналов с неизвестной амплитудой и начальной фазой осуществляется энергетическим обнаружителем основного канала.
1
2
1
2
2
1
Физической основой сокращения времени анализа РЭО (ЭМО) в условиях неизвестной загруженности анализируемой полосы частот ИРИ служит адаптивное переключение уровня порога обнаружения из состояния H в H на основе сравнения измеренного значения средней мощности шума  и средней мощности сигнала  в канале обнаружения (элементе разрешения) за время его анализа. Средняя мощность  шума n(t) отслеживается на выходе полосового фильтра (канала обнаружения - элемента разрешения) линейного тракта панорамного радиоприемника (дополнительный канал) по известному закону (см., например, Куликов Е.И. Методы измерения случайных процессов. М: Наука, 1985). Измерение средней мощности  шума в канале обнаружения (элементе разрешения) возможно за счет существующего различия уровней дисперсии шумовой составляющей на выходе корреляционного устройства (основного канала) и автокорреляционного устройства (дополнительного канала) [см., например, Денисенко А.Н. Сигналы. Теоретическая радиотехника. Справочное пособие. М: Горячая линия. - Телеком, 2005], которое составляет порядка 3 дБ, что позволяет по результатам оценки средней мощности шумовой составляющей на выходе основного канала обнаружения и дополнительного канала алгоритмически (вычитанием) определить среднюю мощность  шума, а соответственно, затем и среднюю мощность  сигнала, и далее измеренные значения использовать для различения сигнала и шума на выходах обоих каналов обнаружения, а по результатам их сравнения осуществлять адаптивную коммутацию уровней порога обнаружения (H или H). Именно использование информации о средней мощности шума , в соответствии с предложенными действиями над сигналом и условиями их осуществления, позволяет уменьшить количество ложных тревог при неизвестной интенсивности шума. Это обеспечивает возможность ведения анализа РЭО (ЭМО) в заданной полосе частот с наименьшими временными затратами, быстро просматривая участки полосы обзора, свободные от сигнальных составляющих (установлен верхний уровень порога обнаружения H, соответствующий требуемой достоверности анализа РЭО (ЭМО)), и автоматически снижая уровень порога обнаружения до нижнего уровня H, соответствующего требуемой вероятности обнаружения и чувствительности панорамного приемника в элементе разрешения при появлении очередной сигнальной составляющей в канале обнаружения. Тем самым обеспечивается и требуемая достоверность анализа РЭО (ЭМО) в заданной полосе частот и заданная вероятность обнаружения в канале обнаружения (элементе разрешения) [см., например, Бубеньщиков А.А., Владимиров В.И. Оценка влияния алгоритмов обнаружения панорамных приемников на достоверность вскрытия (контроля) радиоэлектронной обстановки. Телекоммуникации, №10, 2006, с.2-7]. Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявленное устройство содержит дополнительные элементы формирования и адаптивного переключения уровня порога обнаружения и цифровой обработки сигналов, что соответствует критерию изобретения «новизна».
Сопоставительный анализ с другими техническими решениями показал, что отсутствуют технические решения со сходными признаками, отличающими заявленное техническое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию изобретения «существенные отличия».
На фиг.1 приведена структурная схема предлагаемого устройства.
На фиг.2 представлена структурная схема варианта исполнения блока вычитания.
0
д
1
2
Адаптивный двухпороговый обнаружитель сигналов цифрового панорамного приемника модульного типа содержит основной канал обнаружения, включающий первый 1.1 и второй 1.2 квадратурные фазовые детекторы, КСГ 2, первый 3.1 и второй 3.2 интеграторы, первый 4.1 и второй 4.2 квадратичные детекторы, сумматор 5, блок вычитания 6 и пороговое устройство 7.1, дополнительный канал, включающий третий 4.3 квадратичный детектор и третий 3.3 интегратор, регистр 10.1 хранения заданных значений вероятности обнаружения сигнала P, регистр 10.2 хранения коэффициента достоверности K, блок 9.1 вычисления нижнего H и блок 9.2 вычисления верхнего H уровней порогов обнаружения, переключатель 8, дополнительное пороговое устройство 7.2, программируемый интерфейс 11 и индикатор 12.
Блок вычитания 6 включает перемножитель 13, сумматор 14, регистр 15 хранения множителя «-1».
Цифровой косинусно-синусный генератор может быть выполнен по схеме, приведенной в (см., например, в кн. Радиоприемные устройства: Учебник для вузов / Под редакцией Н.Н. Фомина. - 3-е издание, стереотип. - М.: Горячая линия. - Телеком, 2007, рис.7.20, с.329).
Программируемый интерфейс может быть выполнен, например, на контроллере клавиатуры и дисплея типа КР580ВВ79 (см. там же на с.294-295, рис.6.33).
Интеграторы выполнены на основе цифрового фильтра нижних частот (ЦФНЧ).
1
2
Основной и дополнительный каналы приема, пороговые устройства, блоки вычисления уровней порога обнаружения (H или H) могут быть выполнены на программируемых логических интегральных микросхемах (например, ПЛИС серии FPGA Cyclone III фирмы ALTERA).
Адаптивный двухпороговый обнаружитель сигналов цифрового панорамного приемника модульного типа работает следующим образом.
0
ЛТ
0
0
Панорамный приемник характеризуется пороговым значением отношения мощностей сигнал/шум на входе канала обнаружения (элемента разрешения с полосой частот ΔF) , которое для обнаружителей с постоянным уровнем ложной тревоги P, определяет требуемую вероятность обнаружения P(q) сигнала в элементе разрешения.
i
i
i
i
i
1i
i
i
i
2i
i
i
i+ni
ПЭ
i
На соответствующие входы первого и второго квадратурных фазовых детекторов 1.1 и 1.2 одновременно поступает двоичный код уровня (цифровые отсчеты) x=s+n аддитивной смеси сигнала (s) и шума (помехи) (n), где i - номер цифрового отсчета, в которых осуществляется их перемножение с двоичным кодом уровня (цифровыми отсчетами) квадратурных составляющих опорного сигнала, поступающих с КСГ 2 на соответствующие входы квадратурного фазового детектора 1.1 (синусной) и 1.2 (косинусной), соответственно. Далее перемноженные сигналы y=(s+n)s* и y=(s+n)s*, где n=1, 2, 3, …L - количество отсчетов, соответствующих времени задержки  (сдвиг фазы на ), поступают на входы интеграторов (ЦФНЧ) 3.1 и 3.2, соответственно, где осуществляется накопление сигнала за время анализа , где γ - скорость перестройки панорамного приемника, N количество параллельно анализируемых элементов разрешения по частоте. С выходов интеграторов 3.1 и 3.2 квадратурные сигналы  и , поступают на соответствующие входы квадратичных детекторов 4.1 и 4.2, где осуществляется выделение квадрата огибающих сигнала (s), значение которого поступает на соответствующие входы сумматора 5. С выхода сумматора 5 сигнал  подается на соответствующие входы порогового устройства 7.1 и блока вычитания 6.
i
i
i
i
i
Двоичный код уровня (цифровые отсчеты) x=s+n аддитивной смеси сигнала (s) и шума (помехи) (n) поступает также на квадратичный детектор 4.3, где осуществляется выделение огибающей аддитивной смеси сигнала и шума, значение которой далее подается на вход интегратора 3.3, в котором осуществляется накопление аддитивной смеси сигнала и шума за время анализа . Далее совокупный сигнал с выхода интегратора 3.3 поступает на соответствующие входы блока вычитания 6 и дополнительного порогового устройства 7.2.
С выхода интегратора 3.3 среднее значение мощности аддитивной смеси сигнала и шума (помех)  поступает на первый вход блока вычитания 6, на второй вход которого с выхода сумматора 5 поступает среднее значение мощности сигнала . В блоке вычитания осуществляется оценка средней дисперсии шума , которая является пороговым уровнем в пороговом устройстве 7.1 по второму входу.
1
ЛТ1
При наличии сигнала на входе квадратурного канала обнаружения автоматически, по результатам сравнения средних мощностей сигнала  и шума  (в случае если ), по команде с выхода порогового устройства 7.1, устанавливается уровень порога обнаружения H, определяемый вероятностью ложной тревоги P, соответствующей пороговому отношению сигнал/шум , при котором вероятность обнаружения сигнала соответствует требуемому значению .
2
ЛТ2
Установка верхнего уровня порога H осуществляется при условии , которое соответствует вероятности ложной тревоги P, соответствующей требуемому значению достоверности анализа РЭО (ЭМО) с учетом прогнозируемого значения нижней границы коэффициента загруженности контролируемой полосы частот.
В качестве показателя оценки эффективности предлагаемого устройства выберем среднее время обзора анализируемой полосы частот.
1. В известном ранее обнаружителе при параллельно-последовательном обзоре анализируется полоса обзора:
Э
где N - количество элементов разрешения по частоте;
ПОО
ПЭ
0
ΔF=NΔF - полоса одновременного обзора панорамного приемника;
ПЭ
N - количество параллельно анализируемых элементов разрешения по частоте;
0
ΔF - размер одного элемента разрешения по частоте, определяемый полосой пропускания фильтра промежуточной частоты.
П
Э
Полоса частот ΔF анализируется со средним временем обзора . При этом просматривается N ячеек, из которых:
0
0
Э
P(q)N - «сигнальные» (порог превышен сигналом ИРИ);
ЛТ1
Э
PN - «шумовые» (порог превышен шумом),
Э
Э
0
0
Э
ЛТ1
N-NP(q)-NP - «пустые» (порог не был превышен ни сигналом, ни шумом),
ЛТ1
где P - вероятность ложной тревоги.
Тогда среднее время обзора  можно записать в виде:
a
где T - время анализа одного элемента разрешения по частоте;
ид
T - время, затраченное на идентификацию сигнальной составляющей от шумовой, определяемое навыками оператора.
Проделав преобразования, получаем выражение (2) в виде:
Э
0
ПЭ
П
ид
Э
ЛТ1
0
0
ЛТ
ид
а
-6
Так, например, для фиксированных параметров N=2800, ΔF=25 кГц и N=3 полоса обзора составляет ΔF=70 МГц, при этом среднее время обзора  определяется временем идентификации T и количеством ячеек с шумовыми выбросами, превысившими порог обнаружения NP. Тогда для требуемой вероятности обнаружения P(q)=0.8 и отношения сигнал/шум  фиксированная вероятность ложной тревоги по критерию Неймана-Пирсона составит P>0.3. При этом среднее время обзора составит  часа, при среднестатистическом времени идентификации T=5 секунд и времени анализа одного элемента разрешения по частоте T=120·10 секунд.
ид
2. В предлагаемом устройстве среднее время обзора  не зависит от времени идентификации оператором T, так как этот процесс автоматизирован, и определяется по формуле:
ЛТ2
где P - вероятность ложной тревоги, определяемая вторым порогом, исходя из требуемой достоверности анализа РЭО (ЭМО).
Проделав несложные преобразования, получаем выражение (4) в следующем виде:
Как видно из выражения (5), выигрыш в сокращении времени на анализ РЭО (ЭМО) определяется выигрышем в уменьшении вероятности ложной тревоги.
ЛТ2
д
-6
Например, для вероятности ложной тревоги P=10, определяющей верхний уровень порога обнаружения и соответствующей заданной достоверности анализа ЭМО K=0.95, среднее время обзора составит единицы секунд.
Таким образом, выигрыш в сокращении времени анализа РЭО (ЭМО) предлагаемым адаптивным двухпороговым обнаружителем сигналов цифрового панорамного приемника составляет более чем на 2 порядка, по сравнению с известным обнаружителем.
1
ЛТ1
2
2
Эффективность изобретения выражается не только в обеспечении при анализе РЭО (ЭМО) требуемой вероятности обнаружения по критерию Неймана-Пирсона в каждом элементе разрешения (при установке порога H (P, ) и гипотезе о наличии сигнала), а также в сокращении времени анализа РЭО (ЭМО) в анализируемой полосе частот (за счет установки при гипотезе об отсутствии сигнала верхнего уровня порога H (P, K) при заданной достоверности анализа РЭО (ЭМО) для априори неизвестной загруженности полосы частот ИРИ.