Способ многоканального обнаружения импульсных сигналов с неизвестными параметрами в шумах
METHOD FOR MULTICHANNEL DETECTION OF PULSE SIGNALS WITH UNKNOWN PARAMETERS IN INTERFERENCE

Изобретение относится к технике приема (обнаружения) импульсных сигналов, длительность которых может меняться в широком диапазоне, а несущая частота, тип и параметры внутриимпульсной модуляции неизвестны.
При некогерентном обнаружении импульсных сигналов с неизвестной несущей частотой, длительностью, типом и параметрами внутриимпульсной модуляции часто используется энергетический обнаружитель, состоящий из входного широкополосного фильтра, амплитудного детектора, последетекторного ФНЧ и какого-либо порогового устройства (Урковиц Г. Обнаружение неизвестных детерминированных сигналов по энергии // ТИИЭР. - 1967. - №. 4. - С. 50-59).
Однако в условиях неизвестной несущей частоты импульсного сигнала входная полоса частот энергетического обнаружителя вынужденно выбирается достаточно широкой, перекрывающей всю полосу возможных несущих частот, что приводит к росту мощности шума, пропорциональной ширине входной полосы частот обнаружителя. Это можно скомпенсировать сужением полосы пропускания последетекторного ФНЧ до некоторой оптимальной величины, обычно примерно в 1,5-2 раза большей, чем величина обратная длительности импульса. Однако в случае неизвестной длительности импульса полоса пропускания последетекторного ФНЧ также вынужденно выбирается достаточно широкой, соответствующей минимально возможной длительности импульса. Это приводит к ухудшению отношения сигнал-шум (ОСШ)на входе порогового устройства, по сравнению с максимально достижимым для более длинных импульсов, для которых оптимально использование более узкополосных ФНЧ.
Известны многоканальные приемники, в которых входная полоса частот делится на более узкие полосы набором полосовых фильтров, после которых производится независимое детектирование и энергетическое обнаружение сигнала в каждом частотном канале. Такой подход позволяет уменьшить мощность шумов и увеличить ОСШ в каналах (при условии, что ширина полосы частот каналов не меньше ширины полосы частот сигнала), но не решает проблемы согласования фиксированной полосы частот последетекторного ФНЧ каждого частотного канала с неизвестной заранее полосой частот, занимаемой продетектированными импульсными сигналами, длительность которых может меняться в широком диапазоне.
Наиболее близким прототипом является многоканальный детектор сигналов, описанный в патенте US8045654B1 – Matched detector/channelizer with adaptive threshold (и/или US7430254B1 – Matched detector/channelizer with adaptive threshold).
Патент US8045654B1 описывает многоканальный детектор импульсных сигналов с набором додетекторных полосовых фильтров с различными центральными частотами и полосами пропускания. Основной проблемой данной схемы является наличие у любого сигнала двух независимых параметров – центральной частоты и полосы частот. Это приводит к необходимости использования большого количества фильтров т.к. при их малом количестве фильтр настроенный на центральную частоту сигнала может иметь неоптимальную полосу, а фильтр с оптимальной полосой может не соответствовать центральной частоте сигнала. Уменьшение количества фильтров приводит к ухудшению качества обнаружения.
Технической задачей является создание способа обнаружения импульсных сигналов с неизвестными параметрами, малочувствительного к изменениям несущей частоты и длительности обнаруживаемых сигналов.
Технический результат достигается тем, что для обнаружения импульсных сигналов используется многоканальный энергетический обнаружитель с набором последетекторных ФНЧ с последовательно сужающейся полосой пропускания, хотя бы один из каналов которого окажется близок по полосе пропускания ФНЧ к оптимальному для заранее неизвестной длительности импульса.
Технический результат заявляемого способа заключается в том, что используется низкочастотная фильтрация выходного сигнала детектора в нескольких независимых параллельных каналах с последетекторными фильтрами низких частот ФНЧ с последовательно сужающейся (например в заданное целое число раз) полосой пропускания, благодаря чему снижается чувствительность к изменениям несущей частоты и длительности обнаруживаемых сигналов.
Способ состоит в амплитудном детектировании смеси сигнала с шумом, подаче выходного сигнала амплитудного детектора на набор независимых параллельных последетекторных фильтров низких частот (ФНЧ) с последовательно сужающейся полосой пропускания, независимой обработке выходного сигнала каждого ФНЧ каким-либо из известных обнаружителей импульсных сигналов, использующих сравнение текущего значения огибающей сигнала с адаптивным или фиксированным порогом обнаружения, пропорциональным оценке мощности шума. Порог обнаружения снижается с сужением полосы пропускания ФНЧ, обеспечивая повышение вероятности обнаружения сигнала при сохранении заданной вероятности ложной тревоги за счет уменьшения дисперсии продетектированного шума, приводящей к снижению вероятности превышения порога шумовым выбросом.
В случае обнаружения сигнала в нескольких каналах одновременно, можно определить оптимальный канал, сравнивая мощность обнаруженного продетектированного сигнала с дисперсией продектированного шума, т.е. фактически оценивая отношение сигнал-шум (ОСШ) в каналах. Такая возможность связана с тем, что при оптимальной полосе частот ФНЧ канала шум в нем подавляется, и его дисперсия уменьшается, а сам сигнал еще не подавляется и его мощность не меняется. При дальнейшем сужении полосы, наряду с уменьшением дисперсии продектированного шума начнет убывать и мощность продетектированного импульсного сигнала из-за чрезмерного сужения полосы пропускания ФНЧ, становящейся недостаточной для полного пропускания импульсного сигнала. Отсюда следует второй способ определения оптимального канала, это канал, предшествующий тому, в котором мощность обнаруженного импульса начинает убывать.
На прилагаемых к описанию чертежах дано:
На фиг. 1 представлена осциллограмма импульсного сигнала с шумом (полученного в результате моделирования) и огибающая сигнала после прохождения через ФНЧ с уменьшающейся в 2 раза полосой пропускания.
На фиг. 2 представлена блок-схема реализации предлагаемого способа обнаружения импульсных сигналов.
На фиг. 3 приведены результаты работы предлагаемого способа при обнаружении импульсного сигнала длительностью 256 отсчетов в аддитивном белом гауссовом шуме для различных значений децимаций и коэффициентов множителей порога обнаружителя в зависимости от ОСШ.
На фиг. 4 показаны значения множителя порога, в зависимости от номера канала (красная кривая – теория, синяя – результатам моделирования).
На фиг. 5 показана вероятность ложной тревоги в различных каналах обнаружителя в зависимости от ОСШ.
Для преодоления недостатков обычного энергетического обнаружителя предлагается использовать многоканальный энергетический обнаружитель с набором параллельных последетекторных ФНЧ с последовательно сужающейся (например, в целое число раз) полосой пропускания. В этом вероятность обнаружения импульсного сигнала на выходе каждого ФНЧ будет максимальна в случае соответствия его полосы частот длительности обнаруживаемого импульса и будет иметь меньшее значение в противном случае. Таким образом, обнаружение сигнала наиболее вероятно в канале, имеющем оптимальный по полосе пропускания последетекторный ФНЧ. Номер сработавшего канала несет дополнительную информацию об ориентировочной длительности сигнала. В случае обнаружения сигнала в нескольких каналах одновременно, возможно определение оптимального канала по критерию максимума отношения мощности обнаруженного сигнала к дисперсии продетектированного шума или по критерию отсутствия уменьшения мощности (подавления) сигнала из-за чрезмерно узкой полосы ФНЧ.
Ключевым отличием предлагаемого способа является замена набора додетекторных полосовых фильтров на набор последетекторных фильтров низкой частоты. После детектирования импульсные сигналы с различными центральными частотами (радиоимпульсы) переносятся в область низких частот (видеоимпульсы) и могут отличаться только шириной полосы частот, поэтому их оптимальное энергетическое обнаружение больше не требует применения полосовых фильтров. Достаточно использовать набор фильтров низких частот с разными частотами среза. Это приводит к возможности существенного уменьшения количества фильтров при сохранении высоких характеристик обнаружения. Требуемое количество ФНЧ определяется отношением максимальной ожидаемой длительности сигнала к минимальной и допустимыми потерями в ОСШ из-за неоптимальности полос ФНЧ.
Широкополосный фильтр, амплитудный детектор и многоканальный ФНЧ могут быть реализованы как в аналоговой, так и в цифровой форме. В последнем случае в качестве ФНЧ могут использоваться вычислительно эффективные полифазные фильтры для одновременной децимации (прореживания) цифрового сигнала в требуемое число раз. Дополнительным выигрышем в данном случае является постоянное снижение требуемой частоты дискретизации с соответствующее сужению полосы ФНЧ каналов, облегчающее цифровую обработку сигналов.
По сравнению с обычным энергетическим детектором предлагаемая схема отличается повышенной вероятностью обнаружения импульсного сигнала с неизвестной длительностью на фоне белого шума. По сравнению с многоканальным приемником с набором додетекторных полосовых фильтров предлагаемая схема отличается меньшей сложностью и повышенной достоверностью обнаружения импульсного сигнала на фоне белого шума. Предлагаемая схема может использоваться и в комбинации с многоканальным приемником с набором додетекторных полосовых фильтров, в случае ее установки на выходе каждого частотного канала такого приемника. В этом случае достигается дополнительное улучшение характеристик обнаружения в каждом частотном канале.
Результаты моделирования работы предлагаемого способа при обнаружении импульсного сигнала длительностью 256 отсчетов в аддитивном белом гауссовом шуме для различных значений децимаций и коэффициентов множителей порога обнаружителя в зависимости от ОСШ приведены на фиг. 3. Видно, что при заданном ОСШ вероятность обнаружения сигнала большой длительности сперва растет с сужением полосы канала. Однако чрезмерное сужение полосы пропускания ФНЧ (больше чем в 32 раза) приводит к снижению выигрыша в требуемом ОСШ.
В каждом канале после детектора и фильтра использовался широко распространенный обнаружитель с постоянным уровнем ложных тревог (ПУЛТ), базирующийся на оценке среднего уровня шума в скользящем окне. Порог обнаружения устанавливался как взвешенная сумма отсчетов шума в окне, умноженная на множитель порога. Сигнал считался обнаруженным при превышении им уровня порога. Множитель порога в каждом канале учитывал полосу пропускания его фильтра, т.е. уменьшался с уменьшением полосы ФНЧ. Фиг. 4 показывает убывающие с ростом номера канала значения множителя порога (красная кривая – теория, синяя – получена по результатам моделирования).
Фиг. 5 показывает вероятности ложной тревоги в различных каналах обнаружителя в зависимости от ОСШ. Видно, что, несмотря на снижение порога обнаружения, роста вероятности ложной тревоги практически не происходит из-за сужения полосы пропускания соответствующего ФНЧ, приводящего к уменьшению мощности шума.
Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает повышение вероятности правильного обнаружения сигналов большой длительности при сохранении вероятности ложной тревоги на низком уровне.