ОЦЕНОЧНО-КОРРЕЛЯЦИОННЫЙ КОМПЕНСАЦИОННЫЙ ОБНАРУЖИТЕЛЬ СИГНАЛА
EVALUATING CORRELATION COMPENSATION SIGNAL DETECTOR

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в панорамных радиоприемных устройствах систем радиомониторинга, станций радиопомех, радиолокационных систем, радиопеленгаторах, средствах радио и радиорелейной связи, а также других устройствах, в которых осуществляется обнаружение сигналов источников радиоизлучения, принимаемых на фоне шума с неизвестной интенсивностью.
Известен обнаружитель сигнала с неизвестной структурой по результатам оценки мощности (энергии) наблюдаемого процесса, который включает последовательно соединенные приемную антенну, линейный (широкополосный) тракт приемника, узкополосный полосовой фильтр, квадратичный детектор, пороговое устройство, в котором реализуется наиболее часто используемый в панорамных приемниках критерий принятия решения Неймана-Пирсона [см. Мартынов В.А., Селихов Ю.И. Панорамные приемники и анализаторы спектра / Под ред. Г.Д. Заварина. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Советское радио, 1980. - 352 с., ил., рис.2.6, с.46]. Недостатком обнаружителя является отсутствие процедуры компенсации шумовой составляющей.
Известен радиоприемник с компенсацией помех (патент RU 2363014, G01S 7/36, 15.04.08 г.), в котором осуществляется компенсация взаимно коррелированных помех на основе использования различий в значениях взаимно корреляционных функций внутренних шумов приемника и преднамеренных помех в основном и дополнительном компенсационном каналах приема. Недостатком радиоприемника является то, что компенсация осуществляется только для случая наличия в канале приема взаимно коррелированных помех и при этом компенсационное напряжение пропорционально уровню помехи в дополнительном канале приема, а не в основном.
Известен радиоприемник с адаптивной компенсацией помех (Радиоприемные устроства: Учебник для вузов / Н.Н. Фомин, Н.Н. Буга, О.В. Головин и др.; под редакцией Н.Н. Фомина. - 3-е издание, стереотип. - М.: Горячая линия - Телеком, 2007. с.410-411), в котором осуществляется компенсация помехового сигнала на основе использования дополнительного канала приема, сдвинутого по частоте относительно основного и включающего последовательно соединенные перестраиваемый фильтр и вычитающее устройство. Недостатком данного радиоприемника является то, что уровень шума (помехи) в основном канале приема не учитывается, а это, в свою очередь, приводит к несоответствию уровня компенсационного напряжения истинному значению уровня шума (помехи) в основном канале приема.
Известен обнаружитель [В.Г. Репин, Г.П. Тартаковский. Статистический синтез при априорной неопределенности и адаптация информационных систем. М.: Сов. Радио, 1977, с.432] сигнала с неизвестной статистикой флуктуации на фоне шума с известной интенсивностью, 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. Существенным недостатком обнаружителя является постоянный уровень порога обнаружения, заданный при условии известной интенсивности шума, что может привести при ее изменении к существенному снижению вероятности обнаружения сигнала.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению 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 (ПУЛТ) и принятием решения по критерию Неймана-Пирсона.
Функциональная схема устройства-прототипа приведена на фиг.1, где введены следующие обозначения:
1 - первый квадратурный фазовый детектор;
2 - второй квадратурный фазовый детектор;
3 - косинусно-синусный генератор;
4 - первый интегратор;
5 - второй интегратор;
6 - третий интегратор;
8 - первый квадратичный детектор;
9 - второй квадратичный детектор;
10 - третий квадратичный детектор;
11 - сумматор;
12 - пороговый блок;
13 - блок вычитания;
16 - перемножитель.
Устройство-прототип содержит основной канал обнаружения сигнала, включающий первый 1 и второй 2 квадратурные фазовые детекторы, косинусно-синусный генератор (КСГ) 3, первый 4 и второй 5 интеграторы, первый 8 и второй 9 квадратичные детекторы, сумматор 11, блок вычитания 13 и пороговый блок 12, при этом объединенные первые входы первого 1 и второго 2 квадратурных фазовых детекторов являются входом устройства, вторые входы первого 1 и второго 2 квадратурных фазовых детекторов соединены с выходами косинусной и синусной составляющих сигнала опорной частоты КСГ 3 соответственно, выходы первого 1 и второго 2 квадратурных фазовых детекторов соединены с входами первого 4 и второго 5 интеграторов соответственно, выходы первого 4 и второго 5 интеграторов соединены соответственно с входами первого 8 и второго 9 квадратичных детекторов, выходы которых подключены к первому и второму входам сумматора 11 соответственно, выход которого соединен со вторым входом блока вычитания 13 и первым входом порогового блока 12; выход которого является выходом обнаружителя; дополнительный канал некогерентной обработки сигнала, состоящий из перемножителя 16 и последовательно соединенных третьего квадратичного детектора 10 и третьего интегратора 6, при этом вход дополнительного канала подключен к входу устройства, а выход третьего интегратора 6 соединен с первым входом блока вычитания 13, выход которого соединен с первым входом перемножителя 16, на второй вход которого подается значение коэффициента, определяющего уровень порога обнаружения в соответствии с заданной вероятностью ложной тревоги, а выход перемножителя соединен со вторым входом порогового блока 12.
Недостатком рассмотренного обнаружителя сигналов со случайной амплитудой и начальной фазой в шумах неизвестной интенсивности является измерение дисперсии шума при условии отсутствия сигнала в канале обнаружения. Это означает, что, в случае изменения интенсивности шума (помех) на входе приемника, заданный уровень порога обнаружения не будет соответствовать реально сложившейся помехово-сигнальной обстановке и не будет обеспечивать требуемые значения вероятностей обнаружения и ложной тревоги.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение чувствительности обнаружителя панорамного приемника сигналов со случайной амплитудой и начальной фазой в условиях шума с неизвестной интенсивностью за счет реализации измерения средней дисперсии шума в канале обнаружения сигнала и ее компенсации путем вычитания на входе порогового блока.
Техническим результатом изобретения является уменьшение порогового отношения сигнал/шум на входе обнаружителя панорамного приемника, определяющего его чувствительность при заданных значениях вероятности обнаружения и ложной тревоги, что соответствует увеличению дальности обнаружения источника радиоизлучения (ИРИ) и обеспечивает сокращение времени анализа радиоэлектронной обстановки в заданной анализируемой полосе частот для априори неизвестной загруженности полосы частот ИРИ.
Для решения поставленной задачи в известный обнаружитель сигнала, содержащий последовательно соединенные первый квадратурный фазовый детектор, первый интегратор и первый квадратичный детектор, выход которого соединен с первым входом сумматора; последовательно соединенные второй квадратурный фазовый детектор, второй интегратор и второй квадратичный детектор, выход которого соединен со вторым входом сумматора; косинусно-синусный генератор (КСГ), первый и второй выходы которого, являющиеся соответственно выходами косинусной и синусной квадратурных составляющих опорного сигнала, соединены со вторыми входами соответствующих первого и второго квадратурных фазовых детекторов, первые входы которых соединены с входом устройства; последовательно соединенные третий квадратичный детектор, вход которого подключен к входу устройства, и третий интегратор, выход которого соединен с первым входом первого блока вычитания, выход которого соединен с первым входом первого перемножителя, на второй вход которого подается значение коэффициента, определяющего уровень порога обнаружения в соответствии с заданной вероятностью ложной тревоги; пороговый блок, выход которого является выходом устройства, согласно изобретению дополнительно введены второй и третий блоки вычитания, а также последовательно соединенные второй перемножитель и четвертый интегратор, при этом первый вход второго перемножителя соединен с входом устройства, а второй вход - соединен с первым выходом КСГ; выход четвертого интегратора соединен со вторым входом первого блока вычитания, выход которого соединен с объединенными первыми входами второго и третьего блоков вычитания; выход сумматора соединен со вторым входом второго блока вычитания, выход которого соединен с первым входом порогового блока, второй вход которого соединен с выходом третьего блока вычитания, второй вход которого соединен с выходом первого перемножителя.
На фиг.2 представлена функциональная схема заявляемого устройства, где введены следующие обозначения:
1 - первый квадратурный фазовый детектор;
2 - второй квадратурный фазовый детектор;
3 - косинусно-синусный генератор;
4 - первый интегратор;
5 - второй интегратор;
6 - третий интегратор;
7 - четвертый интегратор;
8 - первый квадратичный детектор;
9 - второй квадратичный детектор;
10 - третий квадратичный детектор;
11 - сумматор;
12 - пороговый блок;
13 - первый блок вычитания;
14 - второй блок вычитания;
15 - третий блок вычитания;
16 - первый перемножитель;
17 - второй перемножитель.
Функционально заявляемое устройство состоит из трех каналов: основного канала обнаружения сигнала и двух дополнительных - канала некогерентной обработки сигнала и канала когерентной обработки сигнала.
Основной канал обнаружения сигнала включает последовательно соединенные первый квадратурный фазовый детектор 1, первый интегратор 4 и первый квадратичный детектор 8, выход которого соединен с первым входом сумматора 11; последовательно соединенные второй квадратурный фазовый детектор 2, второй интегратор 5 и второй квадратичный детектор 9, выход которого соединен со вторым входом сумматора 11, выход которого соединен со вторым входом второго блока вычитания 14, выход которого соединен с первым входом порогового блока 12, выход которого является выходом заявляемого устройства. Кроме того, основной канал обнаружения включает косинусно-синусный генератор (КСГ) 3, первый и второй выходы которого, являющиеся соответственно выходами косинусной и синусной квадратурных составляющих опорного сигнала, соединены со вторыми входами соответствующих первого 1 и второго 2 квадратурных фазовых детекторов, первые входы которых, объединенные между собой, являются входом основного канала обнаружения сигнала и соединены с входом устройства.
Канал некогерентной обработки сигнала включает последовательно соединенные третий квадратичный детектор 10 и третий интегратор 6, выход которого соединен с первым входом первого блока вычитания 13; при этом вход третьего квадратичного детектора 10, являющийся также входом канала некогерентной обработки сигнала, подключен к входу устройства.
Канал когерентной обработки сигнала включает последовательно соединенные второй перемножитель 17 и четвертый интегратор 7, выход которого соединен со вторым входом первого блока вычитания 13; при этом первый вход второго перемножителя 17, являющийся также входом канала когерентной обработки сигнала, соединен с входом устройства, а второй вход второго перемножителя 17 соединен с первым выходом КСГ 3 (с косинусной составляющей сигнала опорной частоты).
Выход первого блока вычитания соединен с объединенными первыми входами второго 14 и третьего 15 блоков вычитания, а также с первым входом первого перемножителя 16, на второй вход которого подается значение коэффициента, определяющего уровень порога обнаружения в соответствии с заданной вероятностью ложной тревоги. Выход первого перемножителя 16 соединен со вторым входом третьего блока вычитания 15, выход которого соединен со вторым входом порогового блока 12.
C
C
КГС
0
КГС
0
0
0
0
Второй перемножитель 17 предназначен для перемножения косинусной составляющей s(t)=Ucos(ωt+Ф), сигнала опорной частоты, где ω - значение опорной частоты, Ф - начальная фаза сигнала опорной частоты, поступающей с первого выхода КСГ 3, на принятую аддитивную смесь y(t)=s(t, А, ϕ)+n(t) полезного сигнала со случайной амплитудой А и начальной фазой ϕ-s(t, А, ϕ) и шума n(t).
0
C
C
КГС
0
Четвертый интегратор 7 предназначен для получения значения взаимно корреляционной функции принятой аддитивной смеси y(t)=s(t, А, ϕ)+n(t) и косинусной составляющей s(t)=Ucos(ωt+Ф), сигнала опорной частоты с первого выхода КСГ 3, используемой при получении значения оценки средней мощности  шума n(t) на выходе первого блока вычитания 13, где k - показатель точности измерения средней мощности шума n(t), определяемый отношением:
где  - измеренное значение средней мощности шума;
- реальное значение средней мощности шума.
0
0
0
Второй блок вычитания 14 предназначен для получения значения оценки средней мощности  полезного сигнала s(t, А, ϕ) на входе порогового блока 12 путем вычитания из значения оценки суммарной средней мощности  аддитивной смеси y(t)=s(t, А, ϕ)+n(t) полезного сигнала со случайной амплитудой и начальной фазой s(t, А, ϕ) и шума n(t) на выходе сумматора 11, значения оценки средней мощности  шума n(t) с выхода первого блока вычитания 13.
Третий блок вычитания 15 предназначен для получения значения адаптивного уровня порогового напряжения  порогового блока 12 путем вычитания значения оценки средней мощности  шума n(t) с выхода первого блока вычитания 13 из значения уровня порогового напряжения  с выхода первого перемножителя 16, определенного без учета повышения чувствительности.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
0
a
Аддитивная смесь сигнала и шума y(t)=s(t, A, ϕ)+n(t) поступает на первые входы квадратурных фазовых детекторов 1 и 2, где осуществляется их перемножение с соответствующими квадратурными составляющими опорного сигнала, поступающими с выходов КСГ 3 на вторые входы соответствующих квадратурных фазовых детекторов 1 и 2. Далее перемноженные сигналы поступают на входы первого 4 и второго 5 интеграторов, где осуществляется накопление сигнала за время анализа T.
C
S
0
0
С выходов интеграторов 4 и 5 квадратурные сигналы поступают на соответствующие входы первого 8 и второго 9 квадратичных детекторов, где осуществляется выделение огибающих косинусной y(t) и синусной y(t) составляющих аддитивной смеси y(t)=s(t, А, ϕ)+n(t) полезного сигнала со случайной амплитудой и начальной фазой s(t,А,ϕ) и шума n(t), после чего поступающих на соответствующие входы сумматора 11, напряжение на выходе которого изменяется пропорционально оценке суммарной средней мощности аддитивной смеси
С выхода сумматора 11 значение оценки суммарной средней мощности аддитивной смеси  поступает на второй вход второго блока вычитания 14.
0
Кроме того, с входа устройства аддитивная смесь сигнала и шума y(t)=s(t, A, ϕ)+n(t) поступает на вход третьего квадратичного детектора 10 и на первый вход второго перемножителя 17.
2
С выхода третьего квадратичного детектора 10 квадрат аддитивной смеси сигнала и шума y(t) поступает на вход третьего интегратора 6, в котором осуществляется выделение огибающей аддитивной смеси сигнала и шума, пропорциональной оценке суммарной средней мощности аддитивной смеси  которая далее подается на первый вход первого блока вычитания 13.
0
Во втором перемножителе 17 осуществляется перемножение принятой аддитивной смеси y(t)=s(t, А, ϕ)+n(t) сигнала и шума с косинусной составляющей напряжения опорного сигнала, подаваемой с первого выхода КСГ 3.
*
0
C
0
C
C
КГС
0
Далее результат перемножения y(t)=[s(t, A, ϕ)+n(t)]·s(t) поступает на вход четвертого интегратора 7, в котором осуществляется оценка взаимно корреляционной функции принятой аддитивной смеси y(t)=s(t, A, ϕ)+n(t) и косинусной составляющей s(f)=Ucos(ωt+Ф) сигнала с первого выхода КСГ 3, равной средней мощности полезного сигнала  После чего напряжение, равное значению средней мощности сигнала  подается на второй вход первого блока вычитания 13, в котором осуществляется оценка неизвестной средней мощности (дисперсии)  шума n(t) путем вычитания.
Измеренное значение средней мощности шума  с выхода первого блока вычитания 13 далее поступает на первый вход второго блока вычитания 14, в котором осуществляется ее компенсация путем вычитания:
В то же время измеренное значение средней мощности шума  поступает на объединенные первые входы первого перемножителя 16 и третьего блока вычитания 15.
С выхода второго блока вычитания 14 сигнал с уровнем, равным средней мощности полезного сигнала  с точностью до коэффициента k, поступает на первый вход порогового блока 12, в котором осуществляется его сравнение с уровнем порогового напряжения  полученного в блоке 15 путем вычитания значения измеренной средней мощности  шума n(t) с выхода первого блока вычитания 13 из значения уровня порогового напряжения  с выхода первого перемножителя 16, определенного без учета повышения чувствительности. По результатам сравнения на выходе порогового блока 12, который является выходом устройства, принимается решение о наличии сигнала или об его отсутствии.
Заявляемое устройство позволяет:
во-первых, обеспечить за счет реализации в канале, в процессе обнаружения сигнала обнаружителя панорамного приемника, измерения средней мощности шума с последующей ее компенсацией на входе порогового блока, что приводит к уменьшению вероятности ложной тревоги на его выходе и, как следствие, к сокращению времени анализа радиоэлектронной обстановки;
во-вторых, при заданных одинаковых требованиях к значениям вероятности ложной тревоги и обнаружения сигнала, в отличие от прототипа, позволяет за счет компенсации измеренного значения средней мощности шума на входе порогового блока снизить уровень порога обнаружения, а следовательно, позволяет уменьшить пороговое отношение сигнал/шум, определяющее чувствительность приемника по обнаружению, и, как следствие, к увеличению дальности обнаружения сигналов радиоэлектронных средств.
Таким образом, совокупность введенных блоков и связей между ними позволяет обеспечить увеличение дальности обнаружения сигналов на основе уменьшения порогового отношения сигнал/шум, определяющего чувствительность приемника; сократить время анализа радиоэлектронной обстановки за счет уменьшения вероятности ложной тревоги при компенсации измеренного значения средней мощности шума на входе порогового блока, что отсутствовало в прототипе.
Технический результат при реализации изобретения достигается за счет реализации когерентной обработки сигнала, что позволяет производить в масштабе времени, близком к реальному, измерение средней дисперсии совокупных помех в канале обнаружения при наличии в нем сигнала. Это позволяет осуществлять не только адаптивное изменение уровня порога обнаружения в соответствии с реально сложившейся сигнально-помеховой обстановкой и заданными по критерию Неймана-Пирсона значениями вероятностей ложной тревоги и обнаружения, но и уменьшить среднее значение дисперсии шума на входе порогового блока путем его компенсации методом вычитания за счет дополнительно введенного второго блока вычитания. Это дает возможность снизить уровень порога обнаружения и, соответственно, уменьшить пороговый уровень сигнала на входе приемника, обеспечив, тем самым, уменьшение порогового отношения сигнал/шум, определяющего чувствительность панорамного приемника по обнаружению.
В качестве показателей оценки эффективности заявляемого устройства, выберем относительное уменьшение порогового отношения сигнал/шум на входе приемника и среднее время обзора анализируемой полосы частот.
Вначале проведем оценку эффективности заявляемого устройства по первому показателю.
На входе второго блока вычитания 14 плотность распределения мощности шума  описывается экспоненциальным законом распределения:
со средним значением мощности шума
При этом на выходе первого блока вычитания 13 измеренное среднее значение мощности шума определяется по формуле:
Проведя функциональные преобразования с учетом процедуры вычитания во втором блоке вычитания 14, плотность распределения мощности шума на выходе второго блока вычитания 14 запишется в виде:
где  - значение дельта-функции в точке
Среднее значение мощности шума  на входе порогового блока 12 и вероятность ложной тревоги  на выходе заявляемого устройства запишутся в виде:
где е≈2,71 - трансцендентное число,
0
F - вероятность ложной тревоги на выходе ранее известного обнаружителя.
В этом случае, при точном измерении средней мощности шума в канале обнаружения (k=1), когда  относительное уменьшение как мощности шума на входе порогового блока 12, так и ложной тревоги составит:
При меньшей точности (когда k<1), определяемой погрешностью измерения:
значение η:
При одинаковых вероятностях обнаружения  где  - вероятность обнаружения с учетом уменьшения мощности шума, и ложных тревогах  учитывая выражения (5) и (6), выражения, из которых определяются значения пороговых отношений сигнал/шум на входе порогового блока ранее известного обнаружителя сигналов  и заявляемого оценочно-корреляционно-компенсационного обнаружителя сигнала  их относительное уменьшение запишутся в виде:
-1
-2
-3
На фиг.3 для иллюстрации приведены графические зависимости относительного уменьшения порогового отношения сигнал/шум на входе приемника от точности измерения средней мощности шума (k) при вероятности ложной тревоги, принятой за параметр (F=10; 10; 10) для вероятности обнаружения D=0,9.
Таким образом, при заданных вероятностях обнаружения (D=0,9) и ложной тревоги (F=0,1) и точном измерении средней мощности шума (k=1), применение заявляемого обнаружителя позволяет потенциально уменьшить пороговое отношение сигнал/шум в 1,83 раза, что соответствует увеличению дальности обнаружения источников радиоизлучения в KB диапазоне на 35%, а в УКВ - на 16% (см., например, Черенкова Е.Л., Чернышев О.В. Распространение радиоволн: учебник для вузов связи. - М.: Радио и связь, 1984. - 272 с., ил.).
Проведем оценку эффективности заявляемого устройства по второму показателю.
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
Полоса частот ΔF анализируется со средним временем обзора
Э
При этом просматривается N ячеек, из которых:
Э
D(q)N - «сигнальные» (порог превышен сигналом ИРИ);
1
Э
FN - «шумовые» (порог превышен шумом),
Э
Э
1
Nэ-ND(q)-NF - «пустые» (порог не был превышен ни сигналом, ни шумом),
1
где F - вероятность ложной тревоги.
Тогда среднее время обзора  можно записать в виде:
a
где T - время анализа одного элемента разрешения по частоте;
ид
Т - среднее время, затраченное на идентификацию сигнальной составляющей от шумовой, определяемое навыками оператора.
Проделав преобразования, перепишем выражение (11) в виде:
Э
П
ПЭ
П
ид
Э
1
1
ид
a
-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 Т и количеством ячеек с шумовыми выбросами, превысившими порог обнаружения NF. Тогда для требуемой вероятности обнаружения D=0.9 и значении порогового отношения сигнал/шум  фиксированная вероятность ложной тревоги по критерию Неймана-Пирсона составит F>0,2. При этом среднее время обзора составит  часа, при среднестатистическом времени идентификации Т=5 секунд и времени анализа одного элемента разрешения по частоте T=120·10 секунд.
В заявляемом устройстве среднее время обзора определяется по формуле (12) и с учетом потенциального уменьшения вероятности ложной тревоги в 2,71 раз при тех же исходных данных составит  часа, что в 1,13 раз меньше, чем в ранее известном обнаружителе.
Таким образом, выигрыш в сокращении времени на анализ радиоэлектронной обстановки (РЭО) определяется выигрышем в уменьшении вероятности ложной тревоги и составит в потенциальном случае по сравнению с известным обнаружителем 13%.
Эффективность изобретения выражается не только в уменьшении порогового отношение сигнал/шум, что соответствует увеличению дальности обнаружения ИРИ, но и в обеспечении при анализе РЭО (ЭМО) сокращения времени анализа в заданной анализируемой полосе частот для априори неизвестной загруженности полосы частот ИРИ.