Комплексное устройство обнаружения в многопозиционной радиолокационной станции
COMPLEX DETECTION DEVICE IN MULTI-POSITION RADAR STATION

Предполагаемое изобретение относится к технике радиолокации, радиосвязи, радионавигации и радиоуправления и может быть использовано в радиоэлектронных системах для решения задачи обнаружения сигналов.
i
Известна оптимальная комплексная система обнаружителей (КСО), реализуемая на этапе первичной обработки сигналов [Сосулин Ю.Г. Теоретические основы радиолокации и радионавигации. - М.: Радио и связь, 1992, С. 299, рис. 8.4]. Система содержит набор согласованных фильтров и умножителей (по числу I объединяемых обнаружителей), сумматор и пороговое устройство. Аналоговые сигналы, поступающие на входы согласованных фильтров, после их прохождения и домножения на весовые коэффициенты преобразуются в корреляционные интегралы d,  которые в виде аналоговых реализаций поступают на входы сумматора. На выходе сумматора формируется решающая статистика  поступающая на вход порогового устройства, которое после ее сравнения с заданным порогом вырабатывает решение о наличии или отсутствии сигнала.
Аналогичная КСО имеет место в многопозиционных радиолокационных станциях (МПРЛС) при централизованном обнаружении [Черняк B.C. Многопозиционная радиолокация.- М.: Радио и связь, 1993, С. 155], когда по линиям передачи данных (ЛПД) в центр обработки информации (ЦОИ) передаются корреляционные интегралы, сформированные всеми позициями МПРЛС, а решение о наличии или отсутствии сигнала принимается только в ЦОИ после суммирования этих корреляционных интегралов и сравнения полученной суммы с порогом. В случае превышения порога принимается решение о наличии сигнала, в противном случае - об отсутствии сигнала.
К недостаткам системы можно отнести ее громоздкость и сложность в реализации, особенно в многопозиционной радиолокационной станции, где требуется передавать в ЦОИ аналоговые реализации сигналов, что предъявляет высокие требования к пропускной способности ЛПД.
i
i
Значительно проще реализуется оптимизация КСО на этапе вторичной обработки сигналов [Сосулин Ю.Г. Теоретические основы радиолокации и радионавигации. - М.: Радио и связь, 1992, С. 298, рис. 8.3]. Система содержит I объединяемых обнаружителей и умножителей, сумматор и пороговое устройство. Каждый обнаружитель представляет собой согласованный фильтр и пороговое устройство и формирует предварительное (частное) решение  о наличии  или отсутствии  сигналов путем сравнения с порогом корреляционного интеграла q, поступающего с выхода согласованного фильтра на пороговое устройство. Частные решения поступают на входы умножителей и после умножения на соответствующие весовые коэффициенты W поступают на входы сумматора. На выходе сумматора формируется решающая статистика  поступающая на вход порогового устройства, которое после ее сравнения с заданным порогом вырабатывает общее решение о наличии или отсутствии сигнала.
i
0
i
i
Известно также комплексное устройство обнаружения в многопозиционной радиолокационной станции [Патент РФ RU 2556710 «Комплексное устройство обнаружения в многопозиционной радиолокационной станции»], являющееся многоканальным и содержащее в каждом канале согласованный фильтр, два функциональных преобразователя и линию передачи данных, а в общей части сумматор и пороговое устройство. Устройство реализует алгоритм оптимального по критерию Неймана-Пирсона комплексирования обнаружителей на этапе вторичной обработки, и работает следующим образом (рассмотрим работу одного i-го канала устройства, поскольку каналы идентичны). Аналоговый входной сигнал  в состав которого входит детерминированный сигнал S(t), поступает на вход согласованного фильтра, с выхода которого аналоговый сигнал в виде корреляционного интеграла  поступает на вход первого функционального преобразователя, который преобразует значения q и поступающие на его второй и третий входы значения Е и N в апостериорную вероятность наличия сигнала P в соответствии с выражением  Значение вероятности P по линии передачи данных передается в центр обработки информации, где поступает на вход второго функционального преобразователя, который преобразует ее в выходной сигнал i-го канала устройства в соответствии с выражением  Эти сигналы с выходов всех каналов устройства  поступают на соответствующие входы сумматора. Сформированная на выходе сумматора решающая статистика  подается на вход общего порогового устройства, где ее значение сравнивается с величиной порога h,, поступающей на второй вход общего порогового устройства в качестве внешнего сигнала. В зависимости от результата сравнения общее пороговое устройство формирует общее решение  в виде 1 (если порог превышен - сигнал есть) или 0 (порог не превышен - сигнала нет).
Устройство позволяет сократить объем передаваемой по ЛПД информации за счет использования в решающей статистике апостериорных вероятностей правильного обнаружения и ложной тревоги, однако эти вероятности определены косвенно, что обуславливает недостаток - передачу информации от всех входящих в его состав обнаружителей, хотя некоторые из них приняли решение об отсутствии сигнала  и могли бы не участвовать в формировании решающей статистики.
i
По техническому решению наиболее близким к предполагаемому изобретению является комплексное устройство (система) обнаружения, аналогичное рассмотренному выше [Сосулин Ю.Г. Теоретические основы радиолокации и радионавигации. - М.: Радио и связь, 1992, С. 298, рис. 8.3] и реализованное в МПРЛС при децентрализованной (распределенной) обработке информации [Черняк B.C. Многопозиционная радиолокация - М.: Радио и связь, 1993, С. 156, рис. 6.1], когда в каждой позиции принимаются предварительные (частные) решения об обнаружении сигналов путем сравнения корреляционного интеграла с порогом. Эти частные решения передаются по ЛПД в ЦОИ, поступают на входы умножителей и после умножения на соответствующие весовые коэффициенты W поступают на входы сумматора. На выходе сумматора формируется решающая статистика  поступающая на вход порогового устройства, которое после ее сравнения с заданным порогом вырабатывает общее решение  о наличии или отсутствии сигнала. Это устройство и выбрано в качестве прототипа.
Блок-схема устройства-прототипа представлена на фиг. 1.
Устройство является I-канальным (по числу позиций МПРЛС), причем каждый канал содержит:
1 - согласованный фильтр, выход которого подключен ко входу порогового устройства 2;
2 - пороговое устройство, вход которого подключен к выходу согласованного фильтра 1, а второй вход является внешним входом сигнала порогового уровня. Выход порогового устройства 2 подключен к первому входу линии передачи данных (ЛПД) 3;
3 - линию передачи данных, первый вход которой подключен к выходу порогового устройства 2, второй и третий входы являются внешними входами сигналов вероятности ложной тревоги и правильного обнаружения соответственно. Первый выход ЛПД 3 подключен к первому входу умножителя 5;
4 - блок расчета весового коэффициента, первый и второй входы которого подключены соответственно ко второму и третьему выходам ЛПД 3. Выход блока 4 подключен ко второму входу умножителя 5;
5 - умножитель, первый вход которого подключен к первому выходу ЛПД 3, а второй вход - к выходу блока расчета весового коэффициента 4. Выход умножителя 5 каждого из каналов устройства подключен к соответствующему входу сумматора 6.
Сигналы с выходов умножителей 5 поступают в общую часть устройства, которая содержит:
6 - сумматор на I входов, каждый из которых подключен к выходу соответствующего умножителя 5. Выход сумматора 6 подключен ко входу общего порогового устройства 7;
7 - общее пороговое устройство, вход которого подключен к выходу сумматора 6, второй вход является внешним входом сигнала порогового уровня, а выход является выходом устройства.
Устройство реализует алгоритм оптимального по критерию Неймана-Пирсона комплексирования обнаружителей на этапе вторичной обработки, который заключается в сравнении с порогом следующей решающей статистики [Сосулин Ю.Г. Теоретические основы радиолокации и радионавигации. - М.: Радио и связь, 1992, С. 298]
где i - номер обнаружителя (или позиции МПРЛС);
I - количество объединяемых обнаружителей;
- частные решения объединяемых обнаружителей о наличии сигнала или его отсутствии;
i
i
D, F - вероятности правильного обнаружения и ложной тревоги соответственно;
- весовые коэффициенты
i
i
i
i
i
*
Устройство работает следующим образом (рассмотрим работу одного i-го канала устройства, поскольку каналы идентичны). Аналоговый входной сигнал  в состав которого входит детерминированный сигнал S(t) (при θ=1) и аддитивный шум n(t) со спектральной плотностью мощности N, поступает на вход согласованного фильтра 1, с выхода которого аналоговый сигнал в виде корреляционного интеграла  поступает на вход порогового устройства 2, где его значение сравнивается с величиной порога h, поступающей на второй вход порогового устройства 2 в качестве внешнего сигнала. В зависимости от результата сравнения пороговое устройство 2 формирует частное решение  в виде 1 (если порог превышен - сигнал есть) или 0 (порог не превышен - сигнала нет), которое поступает на первый вход ЛПД 3. На второй и третий входы ЛПД 3 подаются внешние сигналы, соответствующие значениям вероятностей ложной тревоги F и правильного обнаружения D, которые после передачи их по ЛПД 3 с ее второго и третьего выходов поступают соответственно на первый и второй входы блока расчета весового коэффициента 4 (функционального преобразователя), с выхода которого значение коэффициента  поступает на второй вход умножителя 5, на первый вход которого поступает частное решение  с первого выхода ЛПД 3. Результат перемножения  с выхода умножителя 5 поступает на соответствующий вход сумматора 6. Сформированная в сумматоре 6 решающая статистика  с его выхода подается на вход общего порогового устройства 7, где ее значение сравнивается с величиной порога h, поступающей на второй вход общего порогового устройства 7 в качестве внешнего сигнала. В зависимости от результата сравнения общее пороговое устройство 7 формирует общее решение θ в виде 1 (если порог превышен - сигнал есть) или 0 (порог не превышен - сигнала нет).
i
i
К одному из недостатков прототипа следует отнести отсутствие учета зависимости вероятностей D и F от текущей реализации процесса  на входе обнаружителя, что снижает отношение сигнал/шум на выходе и отрицательно влияет на эффективность обнаружения сигнала.
Покажем, что этот недостаток можно устранить путем замены указанных вероятностей апостериорными вероятностями  и  являющимися функциями от наблюдаемого процесса  на входе обнаружителя и характеризующими текущее качество объединяемых обнаружителей.
i
i
Сигнал q на выходе согласованного фильтра можно представить диффузионным марковским процессом с известными коэффициентами переноса и диффузии [Сосулин Ю.Г. Теория обнаружения и оценивания стохастических сигналов. - М.: Советское радио, 1978, С. 205], а апостериорные вероятности ошибок  и  зависящими от q и времени t, то есть
0
1
0
1
Эти вероятности приближенно могут быть получены путем решения одномерных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами переноса M, M и диффузии K, K
Решения уравнений (3), (4) имеют вид
где
Уравнения (3), (4) описывают изменение апостериорных вероятностей ошибок при обратном течении времени (от T до 0). Нас же интересует случай, когда принимаемый процесс протекает в непрерывном времени, причем наблюдение ведется в течение отрезка [0,T]. В этом случае выражения (7), (8) принимают вид
0
1
0
1
i
i
i
Кроме того, в рассматриваемом асимптотическом случае, когда коэффициенты переноса M, М и диффузии K, K процесса q представляют собой постоянные величины, марковский процесс q является гауссовским. Так как коэффициенты  и  есть приближенные средние значения и дисперсии случайной величины q (T), то [Тихонов В.И. Оптимальный прием сигналов. - М.: Радио и связь, 1983, С. 78]
при отсутствии сигнала (при θ=0)
а при наличии сигнала (при θ=1)
где E - энергия принимаемого сигнала
i
N - спектральная плотность мощности шума.
Таким образом, выражения (9), (10) окончательно принимают вид
а в соответствии с (2) и (5), (6) апостериорные вероятности ложной тревоги и правильного обнаружения определяются соотношениями
i
i
Другим недостатком прототипа является то, что по ЛПД в ЦОИ требуется передавать не только частные решения  в виде совокупности нулей и единиц, но и оценки вероятностей правильного обнаружения D и ложной тревоги F [Черняк B.C. Многопозиционная радиолокация. - М.: Радио и связь, 1993, С. 163], что предъявляет высокие требования к пропускной способности ЛПД.
В предлагаемом устройстве достаточно передавать в ЦОИ весовые коэффициенты , причем только из тех позиций, в которых принято решение о наличии сигнала. Это сокращает количество ЛПД, задействованных для передачи информации, что также является целью изобретения.
i
i
i
Этой цели можно добиться путем передачи некоторых функций, выполняемых в ЦОИ, обнаружителям. Так, если включить в состав каждого обнаружителя блок расчета весового коэффициента и умножитель, то по ЛПД в ЦОИ будут передаваться только значения весовых коэффициентов W, причем только от тех обнаружителей, которые приняли решение о наличии сигнала. При этом отпадает необходимость передачи частных решений  в виде совокупности нулей и единиц, а также оценок вероятностей правильного обнаружения D и ложной тревоги F.
Цели изобретения достигаются тем, что в известное комплексное устройство обнаружения в многопозиционной радиолокационной станции, являющееся многоканальным, содержащее общее пороговое устройство и сумматор, входы которого подключены к соответствующим выходам каналов устройства, каждый из которых содержит последовательно соединенные согласованный фильтр и пороговое устройство, второй вход которого является внешним входом сигнала порогового уровня, а также линию передачи данных, блок расчета весового коэффициента и умножитель, второй вход которого соединен с выходом блока расчета весового коэффициента, причем выход сумматора подключен ко входу общего порогового устройства, второй вход которого является внешним входом сигнала общего порогового уровня, а выход является выходом устройства, в каждый канал устройства дополнительно введены первый и второй блоки вычитания, блок деления, блок извлечения квадратного корня, коммутатор, функциональный преобразователь, первая и вторая ячейки памяти, причем выход согласованного фильтра в каждом канале подключен ко второму входу первого блока вычитания, первый вход которого соединен с внешним входом сигнала порогового уровня, а выход - с первым входом блока деления, второй вход которого соединен со вторым входом второго блока вычитания и выходом блока извлечения квадратного корня, вход которого является вторым внешним входом устройства; выход блока деления подключен к первым входам коммутатора и второго блока вычитания, выход которого соединен со вторым входом коммутатора, первый выход которого подключен ко входу функционального преобразователя, выход которого соединен с третьим и четвертым входами коммутатора, управляющий вход которого является третьим внешним входом устройства, а второй и третий выходы коммутатора подключены к первым входам соответственно первой и второй ячеек памяти, вторые входы которых объединены и являются внешним входом считывания, а выходы подключены соответственно к первому и второму входам блока расчета весового коэффициента, причем вход ЛПД соединен с выходом умножителя, первый вход которого подключен к выходу порогового устройства, а выход ЛПД является выходом канала устройства.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое многоканальное устройство отличается тем, что в каждый канал дополнительно введены два блока вычитания, блок деления, блок извлечения квадратного корня, коммутатор, функциональный преобразователь, две ячейки памяти, а также их связи между собой и другими элементами устройства.
Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию изобретения «новизна».
Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что вновь введенные элементы известны [Горошков Б.И. Элементы радиоэлектронных устройств: Справочник. - М.: Радио и связь, 1988; Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника. - СПб: БХВ-Петербург, 2005; Петровский И.И., Прибыльский А.В., Троян А.А., Чувелев B.C. Логические интегральные схемы КР 1533, 1554. Справочник. В двух частях. - М.: ТОО «БИНОМ», 1993; Цифровые устройства на интегральных микросхемах. - 3-е изд. перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1991 - (Массовая радиобиблиотека. Вып. 1159); Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы. Справочник/ под. ред. С.В. Якубовского. - М.: Радио и связь, 1989; Дьяконов В.П. Справочник по расчетам на микрокалькуляторах. - М.: Наука, 1986, С. 167, 169, 170; Журнал «Радиоконструктор». - 2010 - №12, С. 8].
Однако при их введении в указанной связи с остальными элементами в заявляемое устройство оно проявляет новые свойства, что приводит к повышению вероятности правильного приема передаваемого сигнала, а также к сокращению количества ЛПД, задействованных для передачи информации. Это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию «существенные отличия».
Обобщенная блок - схема устройства представлена на фиг. 2, а блок - схема одного обнаружителя - на фиг. 3. На этих схемах одинаковые с прототипом блоки имеют ту же нумерацию.
Устройство является I-канальным (по числу обнаружителей - позиций МПРЛС), причем каждый канал содержит (фиг. 3):
1 - согласованный фильтр, выход которого подключен ко входу порогового устройства 2 и первому входу первого блока вычитания 8;
2 - пороговое устройство, вход которого подключен к выходу согласованного фильтра 1, а второй вход является внешним входом сигнала порогового уровня. Выход порогового устройства 2 подключен к первому входу умножителя 5;
8 - первый и второй блоки вычитания. Первый вход первого блока вычитания 8 подключен к выходу согласованного фильтра 1 и входу порогового устройства 2, а второй вход этого блока соединен с внешним входом сигнала порогового уровня и вторым входом порогового устройства 2. Первый вход второго блока вычитания 8 подключен к выходу блока деления 9 и первому входу коммутатора 11, а второй вход - ко второму входу блока деления 9 и выходу блока извлечения квадратного корня 10. Выход первого блока вычитания 8 соединен с первым входом блока деления 9, а выход второго блока вычитания 8 - со вторым входом коммутатора 11;
9 - блок деления, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходом первого блока вычитания 8 и с выходом блока извлечения квадратного корня 10. Выход блока деления подключен к первым входам второго блока вычитания 8 и коммутатора 11;
10 - блок извлечения квадратного корня, вход которого является внешним входом отношения сигнал/шум, а выход подключен ко вторым входам второго блока вычитания 8 и блока деления 9;
11 - коммутатор (фиг. 4), первый и второй входы которого подключены соответственно к выходу блока деления 9 и выходу второго блока вычитания 8, третий и четвертый входы объединены и подключены к выходу функционального преобразователя 12. Управляющий вход коммутатора является внешним входом устройства. Первый выход коммутатора 11 соединен со входом функционального преобразователя 12, а второй и третий выходы - соответственно со входом первой и второй ячеек памяти 13.
12 - функциональный преобразователь, вход которого соединен с первым выходом коммутатора 11, а выход - с третьим и четвертым входами коммутатора 11;
13 - первая и вторая ячейки памяти, вход каждой из которых подключен соответственно ко второму и третьему выходам коммутатора 11, а выход - к соответствующему входу блока расчета весового коэффициента 4;
4 - блок расчета весового коэффициента, первый и второй входы которого подключены соответственно к выходам первой и второй ячеек памяти 13. Выход блока 4 подключен ко второму входу умножителя 5;
5 - умножитель, первый вход которого подключен к выходу порогового устройства 2, а второй вход - к выходу блока расчета весового коэффициента 4.
Выход умножителя 5 каждого из обнаружителей подключен ко входу соответствующей линии передачи данных 3 (фиг. 2), выход которой является выходом канала устройства и подключен к соответствующему входу сумматора 6;
Сигналы с выходов ЛПД 3 поступают в общую часть устройства, которая содержит:
6 - сумматор на I входов, каждый из которых подключен к выходу соответствующей ЛПД 3. Выход сумматора 6 подключен ко входу общего порогового устройства 7;
7 - общее пороговое устройство, вход которого подключен к выходу сумматора 6, второй вход является внешним входом сигнала общего порогового уровня, а выход является выходом устройства.
i
i
i
i
i
i
i
Устройство работает следующим образом (рассмотрим работу одного i-го канала устройства (фиг. 3), поскольку каналы идентичны). Аналоговый входной сигнал  поступает на вход согласованного фильтра 1, с выхода которого аналоговый сигнал в виде корреляционного интеграла  поступает на первый вход первого блока вычитания 8 и вход порогового устройства 2, где его значение сравнивается с величиной порога h, поступающей на вторые входы первого блока вычитания 8 и порогового устройства 2 в качестве внешнего сигнала. В зависимости от результата сравнения пороговое устройство 2 формирует частное решение  в виде 1 (если порог превышен - сигнал есть) или 0 (порог не превышен - сигнала нет), которое поступает на первый вход умножителя 5. Результат вычитания  с выхода первого блока вычитания 8 подается на первый вход блока деления 9. С внешнего входа устройства сигнал Q поступает на вход блока извлечения квадратного корня 10, с выхода которого  подается на вторые входы блока деления 9 и второго блока вычитания 8. В результате с выхода блока деления 9 снимается сигнал  поступающий на первые входы коммутатора 11 и второго блока вычитания 8, с выхода которого сигнал  подается на второй вход коммутатора 11. В исходном состоянии первый вход коммутатора 11 соединен с его первым выходом, третий вход - со вторым выходом, в результате чего сигнал x поступает на вход функционального преобразователя 12, реализующего выражение (6), с выхода которого значение Ф (x) подается на вход первой ячейки памяти 13. При поступлении внешнего сигнала на управляющий вход коммутатора 11 происходит подключение второго и четвертого входов коммутатора соответственно к первому и третьему его выходам, в результате чего сигнал у, поступает на вход функционального преобразователя 12, с выхода которого значение Ф (y) подается на вход второй ячейки памяти 13. По внешнему сигналу считывания, поступающему на управляющие входы ячеек памяти 13, сигналы Ф (x) и Ф (y) одновременно поступают на первый и второй входы блока расчета весового коэффициента 4, с выхода которого значение коэффициента
*
поступает на второй вход умножителя 5, на первый вход которого поступает частное решение  с выхода порогового устройства 2. Результат перемножения  с выхода умножителя 5 через ЛПД 3 поступает на соответствующий вход сумматора 6. Сформированная в сумматоре 6 решающая статистика  с его выхода подается на вход общего порогового устройства 7, где ее значение сравнивается с величиной порога h, поступающей на второй вход общего порогового устройства 7 в качестве внешнего сигнала. В зависимости от результата сравнения общее пороговое устройство 7 формирует общее решение θ в виде 1 (если порог превышен - сигнал есть) или 0 (порог не превышен - сигнала нет).
Поскольку получить аналитическое выражение для оценки вероятности правильного обнаружения сигнала предлагаемым комплексным устройством не удается, для подтверждения большей эффективности предлагаемого устройства по сравнению с прототипом было проведено статистическое компьютерное моделирование процесса приема сигнала трехканальными устройствами - прототипом и предлагаемым устройством. Входящие в их состав обнаружители имеют следующие общие характеристики:
1
1
первый обнаружитель - Q=13; h=8;
2
2
второй обнаружитель - Q=13; h=9;
3
3
третий обнаружитель - Q=19; h=12.
При этом значение порога в общем пороговом устройстве принималось равным h=15,7.
Особенностью моделирования является то, что в каждом розыгрыше процесс начинается с генерирования корреляционных интегралов, формируемых обнаружителями при наличии сигнала, с использованием соотношения [Информационные технологии в радиотехнических системах: учеб. пособие /В.А. Васин, И.Б. Власов, Ю.М. Егоров и др. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003. - С. 85]
i
где n - независимые стандартные (с нулевым математическим ожиданием и единичной дисперсией) гауссовские случайные величины.
Результатом одного j-го розыгрыша процесса обнаружения комплексным устройством является решение  в виде 1 (сигнал есть) либо 0 (сигнала нет). После проведения достаточно большого количества (J) розыгрышей оценка вероятности правильного обнаружения D* рассчитывается по известному соотношению
6
В результате проведения J=10 розыгрышей процесса обнаружения были получены следующие результаты:
- для прототипа D*=0,8055;
- для предлагаемого устройства D*=0,9867.
Таким образом, учет в предлагаемом устройстве апостериорных вероятностей ложной тревоги и правильного обнаружения позволил в заданных условиях повысить вероятность правильного обнаружения трехканальным устройством на  по сравнению с прототипом.