СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ СИГНАЛОВ С ЛИНЕЙНОЙ ЧАСТОТНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ
METHOD OF DETECTING CHIRP SIGNALS

Изобретение относится к области техники радиосвязи, конкретнее к обнаружению сигналов с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ) и может быть использовано для построения технических средств и использования результатов ЛЧМ-зондирования.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ поиска сложных сигналов, заключающийся в том, что когерентно принимают пространственно разнесенными приемными каналами сигналы, излучаемые множеством радиопередатчиков, синхронно преобразуют ансамбль принятых сигналов в комплексные цифровые сигналы, скользящим во времени преобразованием цифровых сигналов с заданной дискретностью по времени и частоте получают комплексные спектральные плотности сигналов каждого канала, запоминают спектральные плотности, из комплексных спектральных плотностей формируют и запоминают комплексные взаимные спектральные плотности (ВСП) сигналов всех возможных пар каналов, по сформированным комплексным ВСП определяют и запоминают частотно-временные области локализации принятых сигналов.
Недостатком способа-прототипа является то, что процесс вынесения решения об обнаружении ЛЧМ-сигнала не максимизирует отношение сигнал/шум, поскольку в качестве исходных данных используются спектральные характеристики, которые вычисляются на интервалах более коротких, чем длительность интервала наблюдения, предположительно равная длительности искомого сигнала, и в которых, следовательно, учитывается только часть энергии сигнала.
Задача изобретения в том, чтобы при вынесении решения об обнаружении ЛЧМ-сигнала максимизировать отношение сигнал/шум, учитывая полную энергию принимаемого сигнала.
h
p
пор
обн
p
<mrow><msub><mi>s</mi><mrow><mi>о</mi><mi>б</mi><mi>н</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mrow><mo>{</mo><mtable columnalign="left"><mtr><mtd><mo>"</mo><mi>О</mi><mi>б</mi><mi>н</mi><mi>а</mi><mi>р</mi><mi>у</mi><mi>ж</mi><mi>е</mi><mi>н</mi><mo>"</mo><mo>,</mo><mtext> </mtext><mi>п</mi><mi>р</mi><mi>и</mi><mtext> </mtext><msub><mi>r</mi><mi>h</mi></msub><mo>></mo><msub><mi>r</mi><mrow><mi>h</mi><mtext> </mtext><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>р</mi></mrow></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><mo>"</mo><mi>Н</mi><mi>е</mi><mtext> </mtext><mi>о</mi><mi>б</mi><mi>н</mi><mi>а</mi><mi>р</mi><mi>у</mi><mi>ж</mi><mi>е</mi><mi>н</mi><mo>"</mo><mo>,</mo><mtext> </mtext><mi>п</mi><mi>р</mi><mi>и</mi><mtext> </mtext><msub><mi>r</mi><mi>h</mi></msub><mo>≤</mo><msub><mi>r</mi><mrow><mi>h</mi><mtext> </mtext><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>р</mi></mrow></msub></mtd></mtr></mtable></mrow></mrow>
Поставленная задача достигается тем, что в способе обнаружения сигналов с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ), заключающемся в том, что принимают пространственно разнесенные сигналы, излучаемые множеством радиопередатчиков, согласно изобретению выполняют ЛЧМ-гетеродинирование суммарного сигнала и вычисляют быстрое преобразование Фурье (БПФ), с помощью сумматора в течение сеанса обнаружения парциально накапливают отсчеты БПФ, далее среди выходов сумматора находят максимальное значение r, и соответствующий ему индекс j, по заданному значению вероятности ложной тревоги вычисляют пороговое значение rh, устанавливают флаг
и, если s=«Обнаружен», по величине индекса j определяют значения стартового времени обнаруженного ЛЧМ-сигнала и длины его группового пути распространения.
Достигаемым техническим результатом является повышение достоверности обнаружения ЛЧМ-сигналов и возможность определения их характеристик в случае обнаружения.
На фиг.1 представлена структурная схема приемника ЛЧМ-сигналов, обеспечивающего осуществление предлагаемого способа, содержащая преобразователь 1, вычислитель быстрого преобразования Фурье (БПФ) 2, сумматор 3, решающая схема 4, вычислитель стартового времени 5.
Предлагаемый способ работает следующим образом.
p
з
Преобразователь 1 выполняет гетеродинирование входного сигнала с целью получить для конкретного ЛЧМ-сигнала сигнал разностной частоты, мгновенная частота f которого зависит от величины времени τ задержки распространения радиоволн по пути от передающей станции до приемного пункта:
<mrow><msub><mi>f</mi><mi>p</mi></msub><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>T</mi><mrow><mi>н</mi><mi>а</mi><mi>ч</mi><mtext> </mtext><mi>г</mi></mrow></msub><mo>−</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>Т</mi><mrow><mi>с</mi><mi>т</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>τ</mi><mi>з</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><mi>β</mi><mo>−</mo><msub><mi>f</mi><mrow><mi>н</mi><mi>а</mi><mi>ч</mi><mtext> </mtext><mi>г</mi></mrow></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
нач г
где Т - значение времени начала гетеродинирования;
ст
Т - значение стартового времени для передающей станции;
β - значение скорости изменения мгновенной частоты зондирующего ЛЧМ-сигнала;
нач г
f - значение начальной частоты гетеродинирования.
ij
p
p
p
р
Вычислитель БПФ 2 осуществляет быстрое преобразование Фурье (БПФ) и в результате i-ой итерации вычисления на каждом j-ом выходе формирует выходной сигнал, имеющий модуль m. Для входного сигнала с разностной частотой f, максимальное напряжение образуется на выходе вычислителя БПФ, имеющем индекс f. При этом значения f, и j будут связаны соотношением:
<mrow><msub><mi>f</mi><mi>p</mi></msub><mo>=</mo><mrow><mo>{</mo><mtable columnalign="left"><mtr><mtd><mfrac><mrow><msub><mi>j</mi><mi>p</mi></msub><mo>×</mo><msub><mi>f</mi><mi>д</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>N</mi><mrow><mi>б</mi><mi>п</mi><mi>ф</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mi>п</mi><mi>р</mi><mi>и</mi><mtext> </mtext><mn>0</mn><mo>≤</mo><msub><mi>j</mi><mi>p</mi></msub><mo><</mo><mfrac><mrow><msub><mi>N</mi><mrow><mi>б</mi><mi>п</mi><mi>ф</mi></mrow></msub></mrow><mn>2</mn></mfrac></mtd></mtr><mtr><mtd><mfrac><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>j</mi><mi>p</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>N</mi><mrow><mi>б</mi><mi>п</mi><mi>ф</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>×</mo><msub><mi>F</mi><mi>д</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>N</mi><mrow><mi>б</mi><mi>п</mi><mi>ф</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mi>п</mi><mi>р</mi><mi>и</mi><mtext> </mtext><mfrac><mrow><msub><mi>N</mi><mrow><mi>б</mi><mi>п</mi><mi>ф</mi></mrow></msub></mrow><mn>2</mn></mfrac><mo>≤</mo><msub><mi>j</mi><mi>p</mi></msub><mo><</mo><msub><mi>N</mi><mrow><mi>б</mi><mi>п</mi><mi>ф</mi></mrow></msub></mtd></mtr></mtable></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
бпф
где N - длина БПФ;
д
F - значение частоты дискретизации в процессе вычисления БПФ.
бпф
В течение одного сеанса обнаружения (работы приемника ЛЧМ-сигналов) сумматор 3 накапливает I раз напряжения на каждом из J выходов вычислителя БПФ 2 (J≤N) таким образом, что напряжение на j-выходе сумматора 3 к моменту завершения сеанса составляет величину
<mrow><msub><mi>r</mi><mi>j</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>h</mi><mi>j</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>m</mi><mi>k</mi></msub></mrow></mfrac><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow>
,
<mrow><msub><mi>h</mi><mi>j</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>0</mn></mrow><mrow><mi>I</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></munderover><mrow><msub><mi>m</mi><mrow><mi>i</mi><mi>j</mi></mrow></msub></mrow></mstyle></mrow><mi>I</mi></mfrac></mrow>
где
;
<mrow><msub><mi>m</mi><mi>h</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>0</mn></mrow><mrow><mi>I</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></munderover><mrow><msub><mi>h</mi><mi>j</mi></msub></mrow></mstyle></mrow><mi>J</mi></mfrac></mrow>
j
- среднее арифметическое значение всех элементов h.
j
Пример характерной диаграммы значений r приведен на фиг.2.
h
j
p
ij
p
Максимальное значение r из всех r будет соответствовать тому значению j индекса j, для которого чаще всего проявляется отклик зондирующего сигнала в выходных значениях m БПФ, и, следовательно, тому значению f разностной частоты, которое определяется выражением (2).
j
h
p
обн
Решающая схема 4 анализирует значения r, находит максимальное значение r и соответствующий ему индекс j. Кроме того, решающая схема 4 формирует флаг s, устанавливаемый в состояние «Обнаружен» или в состояние «Не обнаружен», по следующему правилу:
<mrow><msub><mi>s</mi><mrow><mi>о</mi><mi>б</mi><mi>н</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mrow><mo>{</mo><mtable columnalign="left"><mtr><mtd><mo>"</mo><mi>О</mi><mi>б</mi><mi>н</mi><mi>а</mi><mi>р</mi><mi>у</mi><mi>ж</mi><mi>е</mi><mi>н</mi><mo>"</mo><mo>,</mo><mtext> </mtext><mi>п</mi><mi>р</mi><mi>и</mi><mtext> </mtext><msub><mi>r</mi><mi>h</mi></msub><mo>></mo><msub><mi>r</mi><mrow><mi>h</mi><mtext> </mtext><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>р</mi></mrow></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><mo>"</mo><mi>Н</mi><mi>е</mi><mtext> </mtext><mi>о</mi><mi>б</mi><mi>н</mi><mi>а</mi><mi>р</mi><mi>у</mi><mi>ж</mi><mi>е</mi><mi>н</mi><mo>"</mo><mo>,</mo><mtext> </mtext><mi>п</mi><mi>р</mi><mi>и</mi><mtext> </mtext><msub><mi>r</mi><mi>h</mi></msub><mo>≤</mo><msub><mi>r</mi><mrow><mi>h</mi><mtext> </mtext><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>р</mi></mrow></msub></mtd></mtr></mtable></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><msub><mi>r</mi><mrow><mi>h</mi><mtext> </mtext><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>σ</mi><mn>0</mn></msub><msqrt><mrow><mo>−</mo><mn>2</mn><mi>ln</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mi>exp</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mi>ln</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><msub><mi>P</mi><mrow><mi>л</mi><mi>т</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mi>J</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></msqrt></mrow>
где
;
лт
P - значение регламентируемой вероятности ложной тревоги;
0
j
j
0
<mrow><msqrt><mrow><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>j</mi><mo>=</mo><mn>0</mn></mrow><mrow><mi>J</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></munderover><mrow><mfrac bevelled="true"><mrow><msubsup><mi>r</mi><mi>j</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow><mi>J</mi></mfrac></mrow></mstyle></mrow></msqrt></mrow>
σ - среднее квадратическое отклонение значения r в отсутствие отклика зондирующего сигнала. Например, если использовать значения r для текущего сеанса работы ЛЧМ-приемника, величину σ можно определить как
.
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>r</mi><mrow><mi>h</mi><mtext> </mtext><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>р</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>σ</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
лт
Результаты расчета нормированных значений
в виде функции от Р приведены на фиг.3 для J=40, 400, 4000.
обн
p
Если флаг s установлен в состояние «Обнаружен», то вычислитель стартового времени 5 определяет значение разностной частоты f по правилу (2), значение стартового времени:
<mrow><msub><mi>Т</mi><mrow><mi>с</mi><mi>т</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mrow><mo>[</mo><mrow><mfrac><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>Т</mi><mrow><mi>с</mi><mi>т</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>τ</mi><mi>з</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>Т</mi><mrow><mi>с</mi><mi>т</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>×</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>Т</mi><mrow><mi>с</mi><mi>т</mi></mrow></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
ст
з
нач г
p
нач г
где (Т+τ)=Т-(f+f)/β (см. выражение (1));
ст
ст
з
ΔТ - регламентируемый шаг временной сетки для передающих станций (например, ΔТ=1 с), величина которого заведомо больше возможной величины τ;
[х] - операция извлечения целой части величины x,
и значение группового пути распространения радиоволн по пути от передающей станции до приемного пункта:
<mrow><msub><mi>L</mi><mrow><mi>г</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>Т</mi><mrow><mi>с</mi><mi>т</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>τ</mi><mi>з</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>−</mo><mrow><mo>[</mo><mrow><mfrac><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>Т</mi><mrow><mi>с</mi><mi>т</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>τ</mi><mi>з</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>Т</mi><mrow><mi>с</mi><mi>т</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>×</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>Т</mi><mrow><mi>с</mi><mi>т</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>×</mo><mi>с</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>5</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где [x] - операция извлечения целой части величины х;
5
с=3×10км/с - скорость распространения электромагнитной волны.
Источники информации
1. З. №2009124999, G01S 5/00, опубл. 10.01.2011.