СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ СИГНАЛОВ С ПОСТОЯННЫМ УРОВНЕМ ЛОЖНЫХ ТРЕВОГ
METHOD OF DETECTING SIGNALS WITH CONSTANT FALSE ALARM LEVEL

Изобретение относится к радиолокации и может быть использовано для обнаружения сигналов на фоне помех, имеющих неизвестную мощность, в частности для обнаружения сигналов в условиях смеси неоднородных по дальности помех от местных предметов (МП) и нестационарных шумовых помех (НШП) от внешних источников.
w
w
f
Известен способ обнаружения сигналов с постоянным уровнем ложных тревог в условиях помех с неизвестной мощностью (Finn H.M. Adaptive detection with regulated error probabilities, RCA Review, vol.29, Dec., 1967). Суть этого способа состоит в том, что, после череспериодной компенсации (ЧПК) коррелированных помех от МП, выделяют огибающую принятых радиолокатором сигналов, затем для принятия решения об обнаружении сигнала цели в k-ом отсчете дальности выполняют следующее: в окне из N элементов дальности, расположенных симметрично относительно проверяемого на наличие сигнала цели k-го отсчета дальности, где  оценивают мощность помех в проверяемом отсчете дальности по среднему значению квадратов огибающей принятых сигналов  сравнивают квадрат огибающей в проверяемом отсчете  с умноженной на пороговый коэффициент C оценкой мощности помех  принимают решение о наличии сигнала цели в k-м отсчете дальности, если  При этом помеха в окне из N элементов дальности считается однородной по мощности, а необходимый уровень ложных тревог P обеспечивается выбором порогового коэффициента
Основной недостаток этого способа заключается в низкой стабильности вероятности ложных тревог в условиях неоднородных по дальности и не полностью подавленных в ЧПК помех от МП.
k
Наиболее близким техническим решением является способ обнаружения сигналов с постоянным уровнем ложных тревог, описанный в R.Nitzberg. Clutter map CFAR analysis, IEEE Trans. On AES, v.AES-22, No.4, July 1986, p.419-421. В данном способе, после ЧПК коррелированных помех от МП, выделяют огибающую принятых радиолокатором сигналов, затем в n-ом сканировании радиолокатора в проверяемом k-ом отсчете дальности формируют пороговый уровень  умножая рассчитанную по предыдущим (n-1) сканированиям радиолокатора оценку мощности остатков МП в данном отсчете дальности  на пороговый коэффициент С, сравнивают квадрат огибающей в упомянутом k-ом отсчете дальности  с пороговым уровнем U, принимают решение о наличии сигнала цели в k-м отсчете дальности, если  Причем для оценки мощности остатков МП в n-ом сканировании радиолокатора после ЧПК и выделения огибающей принятых радиолокатором сигналов, если в данном отсчете дальности не обнаружен сигнал цели, умножают квадрат огибающей в указанном отсчете  на весовой множитель w, определяемый допустимой величиной потерь обнаружения, суммируют полученную величину  с хранящейся в памяти рассчитанной по предыдущим (n-1) сканированиям радиолокатора оценкой мощности остатков МП в k-ом отсчете  умноженной на весовой множитель (1-w), после чего записывают в память оценку мощности остатков МП в k-ом отсчете дальности по n сканированиям радиолокатора
В данном способе обеспечивается стабильность вероятности ложных тревог при обнаружении сигналов цели в условиях неоднородных по дальности и не полностью подавленных в ЧПК помех от МП. Недостаток наиболее близкого известного способа обнаружения сигналов с постоянным уровнем ложных тревог состоит в низкой стабильности вероятности ложных тревог в условиях смеси неоднородных по дальности и не полностью подавленных в ЧПК помех от МП и НШП от внешних источников.
Техническим результатом (решаемой задачей) изобретения является устранение названного недостатка, а именно повышение стабильности вероятности ложных тревог в условиях смеси неоднородных по дальности и не полностью подавленных в ЧПК помех от МП и НШП от внешних источников.
k
k
k
w
Технический результат (решаемая задача) в предлагаемом способе достигается тем, что в известном способе обнаружения сигналов с постоянным уровнем ложных тревог, в котором в n-ом сканировании пространства радиолокатором производят обработку принятой смеси сигналов и помех, включающую ЧПК помех от МП, после чего выделяют огибающую смеси сигналов и помех, которая включает остатки помех от МП, формируют отсчеты огибающей, используют хранящиеся в памяти данные о мощности остатков помех от МП в отсчетах дальности  где j - номер отсчета, формируют пороговый уровень U, сравнивают квадрат огибающей  в k-ом по дальности отсчете с пороговым уровнем U, принимают решение о наличии сигнала цели в k-ом отсчете дальности при выполнении условия  согласно изобретению для определения порогового уровня U после формирования отсчетов огибающей формируют окно дальности из N отсчетов квадратов огибающей, расположенное симметрично относительно проверяемого на наличие сигнала цели k-го отсчета дальности, где  оценивают мощность помех  в окне дальности по следующей формуле:
w
где E - нормирующий коэффициент, равный среднему значению оценки  при единичном значении мощности помех в элементах окна;
c
w
N<N - число исключаемых из окна максимальных по своей величине отсчетов огибающей;
2(r)
х - элемент окна, величина которого относительно других элементов имеет ранг r,
w
из хранящихся в памяти данных об оценках мощности остатков помех от МП в отсчетах дальности формируют окно из N элементов  где  j≠k, расположенное симметрично относительно проверяемого на наличие сигнала цели k-го отсчета дальности, оценивают мощность остатков помех от однородных МП по следующей формуле:
m
где E - нормирующий коэффициент, равный среднему значению оценки  при единичном значении мощности остатков помех от МП в элементах окна;
c
w
N<N - число исключаемых из окна максимальных по своей величине оценок мощности остатков помех от МП;
- элемент окна, величина которого относительно других элементов имеет ранг r,
если упомянутая оценка мощности помех в окне дальности  превышает данную оценку мощности остатков помех от однородных МП , то формируют признак обнаружения НШП, при наличии которого оценивают превышение  мощности остатков помех от МП в упомянутом k-ом отсчете дальности над мощностью остатков помех от однородных МП по следующей формуле:
определяют отношение оценки превышения мощности остатков помех от МП в k-ом отсчете дальности над мощностью остатков помех от однородных МП  к оценке мощности помех в окне дальности
k
находят пороговый уровень U по следующей формуле:
где С(γ) - пороговый коэффициент, который выбирается таким образом, чтобы при данной величине γ обеспечить заданное значение вероятности ложных тревог.
Новыми существенными признаками предлагаемого способа являются следующие:
w
- формирование окна дальности из N отсчетов квадратов огибающей, расположенных симметрично относительно проверяемого на наличие сигнала цели k-го отсчета дальности, где ;
- оценка мощности помех  в окне дальности по формуле (1);
w
- из хранящихся в памяти данных об оценках мощности остатков помех от МП в отсчетах дальности формирование окна из N элементов  где  j≠k, расположенных симметрично относительно проверяемого на наличие сигнала цели k-го отсчета дальности;
- оценка мощности остатков помех от однородных МП  по формуле (2);
- формирование признака обнаружения НШП, если упомянутая оценка мощности помех в окне дальности  превышает оценку мощности остатков помех от однородных МП ;
- при наличии признака НШП оценивают превышение  мощности остатков помех от МП в упомянутом k-ом отсчете дальности над мощностью остатков помех от однородных МП по формуле (3);
- определяют отношение оценки превышения мощности остатков помех от МП в k-ом отсчете дальности над мощностью остатков помех от однородных МП  к оценке мощности помех в окне дальности
k
- находят пороговый уровень U по формуле (4).
k
Применение всех новых признаков совместно с признаками прототипа позволит повысить стабильность вероятности ложных тревог в условиях смеси неоднородных по дальности и не полностью подавленных в ЧПК помех от МП и НШП от внешних источников. Для определения факта наличия НШП в изобретении оценивают мощность помех в окне дальности , которую сравнивают с оценкой мощности помех от однородных МП , полученной из хранящихся в памяти данных об оценках мощности остатков помех от МП в отсчетах дальности. Если , то формируют признак обнаружения НШП, при наличии которого пороговый уровень находят по формуле (4) так, что его величина пропорциональна как мощности помех в окне дальности , включающей мощность НШП и однородных МП, так и величине превышения  мощности остатков помех от МП в k-ом отсчете дальности над мощностью остатков помех от однородных МП. Величина порогового уровня U пропорционально изменяется при изменении мощности НШП и помех от неоднородных МП, что повышает стабильность вероятности ложных тревог в указанных условиях.
Изобретение поясняется чертежами.
Фиг.1 - структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ обнаружения сигналов с постоянным уровнем ложных тревог.
Фиг.2 - структурная схема блока оценки параметров остатков МП.
Фиг.3 - структурная схема блока оценки мощности помех в окне дальности.
Фиг.4 - структурная схема блока формирования признака обнаружения НШП и порогового уровня.
Фиг.5 - зависимости вероятности ложных тревог от мощности НШП.
Техническая реализация предлагаемого способа обнаружения сигналов с постоянным уровнем ложных тревог возможна на основе устройства, показанного на Фиг.1, Фиг.2, Фиг.3, Фиг.4. Устройство на Фиг.1 содержит блок ЧПК 1, вход которого является входом устройства, квадратичный детектор 2, пороговое устройство 3, выход которого является выходом устройства, два мультиплексора 4, два умножителя 5, сумматор 6, регистр 7, блок оценки параметров остатков МП 8, блок оценки мощности помех в окне дальности 9, блок формирования признака обнаружения НШП и порогового уровня 10.
Блок оценки параметров остатков МП 8 (Фиг.2) содержит мультиплексор 4, выход которого является первым выходом блока, многоотводный регистр 11, вход которого является входом блока, блок сортировки 12, многовходовый сумматор 13, первый делитель 14, второй делитель 14, выход которого является вторым выходом блока, блок вычитания 15, блок сравнения 16.
Блок оценки мощности помех в окне дальности 9 (Фиг.3) содержит многоотводный регистр 11, вход которого является входом блока, блок сортировки 12, многовходовый сумматор 13, первый делитель 14, второй делитель 14, выход которого является выходом блока.
Блок формирования признака обнаружения НШП и порогового уровня (Фиг.4) содержит мультиплексор 4, умножитель 5, выход которого является вторым выходом блока, сумматор 6, делитель 14, вход которого является входом блока, блок сравнения 16, выход которого является первым выходом блока, блок памяти порогов 17.
w
w
Устройство на Фиг.1 работает следующим образом. Сигналы с выхода приемного устройства РЛС в n-ом сканировании поступают на вход блока ЧПК 1, в котором производится компенсация коррелированных помех от МП, и далее на квадратичный детектор 2, где выделяется квадрат огибающей обработанных в блоке ЧПК 1 сигналов. Отсчеты квадратов огибающей  с выхода квадратичного детектора 2 подаются на первый вход порогового устройства 1 и вход блока оценки мощности помех в окне дальности 9, в котором оценивается мощность помех  по среднему значению квадратов огибающей помехи в элементах окна из N отсчетов, окружающих проверяемый k-ый отсчет дальности. Одновременно с выхода регистра 7 снимается рассчитанное в предыдущем (n-1)-ом сканировании радиолокатора значение оценки мощности остатков МП в k-ом отсчете дальности , которое подается на вход блока оценки параметров остатков МП 8. В блоке оценки параметров остатков МП 8 по данным (n-1)-го сканирования радиолокатора в окне из N элементов дальности, окружающих проверяемый k-ый отсчет дальности, оценивают мощность остатков однородных МП  и превышение мощности остатков МП в упомянутом k-ом отсчете дальности над мощностью остатков однородных МП , которые подаются на входы блока формирования признака обнаружения НШП и порогового уровня 10 вместе с оценкой  с выхода блока оценки мощности помех в окне дальности 9. Если упомянутая оценка мощности помех в окне дальности  превышает оценку мощности остатков однородных МП , то в блоке формирования признака обнаружения НШП и порогового уровня 10 формируют признак обнаружения НШП, который подается на управляющий вход второго мультиплексора 4 и запрещает прохождение сигналов на вход первого умножителя 5 для исключения записи информации о мощности остатков МП в регистр 7 при наличии НШП. Также в блоке формирования признака обнаружения НШП и порогового уровня 10 оценивают значение мощности смеси НШП и остатков МП в k-ом отсчете дальности , определяют пороговый коэффициент С так, чтобы обеспечить заданное значение вероятности ложных тревог, рассчитывают величину порогового уровня , который со второго выхода блока формирования признака обнаружения НШП и порогового уровня 10 подается на второй вход порогового устройства 1, с выхода которого снимается сигнал обнаружения цели в k-ом отсчете дальности. Сигнал с выхода порогового устройства 1 одновременно подается на управляющий вход первого мультиплексора 4 и, при единичном значении, запрещает прохождение сигналов на вход второго мультиплексора 4 и далее на вход первого умножителя 5 для исключения записи информации о мощности остатков МП в регистр 7 при наличии сигналов цели. Для оценки мощности остатков МП в k-ом отсчете дальности квадрат огибающей в указанном отсчете  с выхода квадратичного детектора 2 подают через мультиплексоры 4 при отсутствии запрещающих сигналов на их управляющих входах на первый вход первого умножителя 5, на второй вход которого подается весовой множитель w. С выхода первого умножителя 5 величина  подается на первый вход сумматора 6, второй вход которого соединен с выходом второго умножителя 5, в котором производится умножение рассчитанной по предыдущим (n-1) сканированиям радиолокатора и хранящейся в регистре 7 оценки мощности остатков МП в k-ом отсчете  которая подается на первый вход второго умножителя 5, на весовой множитель (1-w), подающийся на второй вход второго умножителя 5. С выхода сумматора 6 оценка мощности остатков МП в k-ом отсчете дальности по n сканированиям радиолокатора  записывается в регистр 7.
w
w
c
w
w
c
w
c
m
Блок оценки параметров остатков МП 8 (Фиг.2) работает следующим образом. На вход блока оценки параметров остатков МП 8 поступают рассчитанные в предыдущем (n-1)-ом сканировании радиолокатора значения оценок мощности остатков МП в отсчетах дальности , которые записываются в многоотводный регистр 11. Сигналы с  отводов многоотводного регистра 11 подаются на N входов блока сортировки 12, где производится их упорядочивание по величине и выбор N-N минимальных из имеющихся N значений. Далее N-N минимальных значений оценок мощности остатков МП в элементах окна с выходов блока сортировки 12 подаются на входы многовходового сумматора 13, после чего последовательно производится нормировка суммы оценок к постоянным коэффициентам N-N и E, соответственно в первом и втором делителе 14. С выхода второго делителя 14 в результате снимается значение оценки мощности остатков однородных МП , полученной по (n-1)-му сканированию радиолокатора. Величина  подается на второй выход блока оценки параметров остатков МП 8 и одновременно на второй вход блока вычитания 15, на первый вход которого с  отвода многоотводного регистра 11 подается оценка мощности остатков МП в k-ом отсчете дальности . Превышение мощности остатков МП в упомянутом k-ом отсчете дальности над мощностью остатков однородных МП по разности  с выхода блока вычитания 15 подается на блок сравнения с нулевым значением 16 и мультиплексор 4, управляющий вход которого подключен к выходу блока сравнения 16. Если величина  то на выходе блока сравнения 16 формируется единичный сигнал, открывающий прохождение сигнала  на выход мультиплексора 4 и первый выход блока оценки параметров остатков МП 8.
w
w
c
w
w
c
w
c
w
Блок оценки мощности помех в окне дальности 9 (Фиг.3) работает следующим образом. На вход блока оценки мощности помех в окне дальности 9 поступают отсчеты квадратов огибающей , которые записываются в многоотводный регистр 11. Сигналы с  отводов многоотводного регистра 11 подаются на N входов блока сортировки 12, где производится их упорядочивание по величине и выбор N-N минимальных из имеющихся N значений. Далее N-N минимальных значений оценок мощности остатков МП в элементах окна с выходов блока сортировки 12 подаются на входы многовходового сумматора 13, после чего последовательно производится нормировка суммы оценок к постоянным коэффициентам N-N и E, соответственно в первом и втором делителе 14. Полученная оценка  с выхода второго делителя 14 подается на выход блока оценки мощности помех в окне дальности 9.
Блок формирования признака НШП и порогового уровня 10 (Фиг.4) работает следующим образом. На первый, второй и третий входы блока формирования признака НШП и порогового уровня 10 поступают соответственно величина оценки превышения мощности остатков МП в k-ом отсчете дальности над мощностью однородных МП  оценка мощности однородных МП  оценка мощности помех в окне дальности  Второй и третий входы блока формирования признака НШП и порогового уровня 10 подключены ко входам блока сравнения 16 и соответственно первому и второму информационным входам мультиплексора 4. Если выполняется условие  на выходе блока сравнения 16 формируется единичный сигнал, разрешающий передачу на выход мультиплексора 4 оценки мощности помех в окне дальности  В случае же, когда  на выходе блока сравнения 16 формируется нулевой сигнал, по которому на выход мультиплексора 4 передается оценка мощности остатков однородных МП  Сигнал с выхода блока сравнения 16 является признаком НШП, который идет на первый выход блока формирования признака НШП и порогового уровня 10. Сигнал с выхода мультиплексора 4 подается на второй вход сумматора 6 и второй вход делителя 14, первый вход которого соединен с первым входом блока формирования признака НШП и порогового уровня 10. На выходе делителя 14 формируется отношение оценки превышения мощности остатков МП в k-ом отсчете дальности над мощностью остатков однородных МП  к оценке мощности помех в окне дальности  если сформирован единичный признак НШП, или к оценке мощности остатков однородных МП  если признак НШП имеет нулевой уровень. С выхода делителя 14 величина γ подается на блок памяти порогов 17, в котором в зависимости от входной величины выбирается значение порогового коэффициента С так, чтобы обеспечить заданное значение вероятности ложных тревог при данном значении γ. На выходе сумматора 6, первый вход которого подключен к первому входу блока формирования признака НШП и порогового уровня 10, формируется величина оценки мощности помех в проверяемом k-ом отсчете дальности , которая подается на второй вход умножителя 5, первый вход которого соединен с выходом блока памяти порогов 17. На выходе умножителя 5 образуется значение порогового уровня  которое идет на второй выход блока формирования признака НШП и порогового уровня 10.
w
c
f
mo
m,k
n
-6
Расчеты характеристик предлагаемого способа обнаружения сигналов с постоянным уровнем ложных тревог проводились методом статистического моделирования в среде программы MatLab v.7. Параметры были следующими: N=32, N=6, номинальный уровень ложных тревог P=10, мощность остатков однородных МП относительно мощности собственных шумов P=3 дБ, мощность остатков МП в проверяемом отсчете дальности относительно мощности собственных шумов P=3…23 дБ, мощность собственных шумов была принята равной 1, суммарная мощность шума и НШП 1+P=0…20 дБ.
m,k
f max
m,k max
f
n max
f
f
На Фиг.5 показаны зависимости вероятности ложных тревог от суммарной мощности шума и НШП для разных значений мощности остатков МП в проверяемом отсчете дальности P. Обозначено: P - максимальное значение вероятности ложных тревог, P - мощность остатков МП, при которой имеет место максимум P, P - мощность НШП, при которой имеет место максимум P. Предлагаемый способ обнаружения сигналов обеспечивает высокую стабильность вероятности ложных тревог (изменение P не более чем в 2 раза) в условиях смеси неоднородных по дальности и не полностью подавленных в ЧПК помех от МП и НШП от внешних источников.
Таким образом, использование предлагаемого изобретения позволит решить поставленную задачу с получением технического результата, который заключается в повышении стабильности вероятности ложных тревог в условиях смеси неоднородных по дальности и не полностью подавленных в ЧПК помех от МП и НШП от внешних источников.