Комплексная система обнаружения в многопозиционной радиолокационной станции
INTEGRATED DETECTING SYSTEM IN MULTI-POSITION RADAR STATION

Предлагаемое изобретение относится к технике радиолокации, радиосвязи, радионавигации и радиоуправления и может быть использовано в радиоэлектронных системах для решения задачи обнаружения сигналов.
t
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 Т 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 q, 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.
t
t
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 Т 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 домножения на соответствующие весовые коэффициенты Q 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.
t
По техническому решению наиболее близкой к предлагаемому изобретению является комплексная система обнаружения, аналогичная предыдущей и реализованная в МПРЛС при децентрализованной (распределенной) обработке информации [Черняк B.C. Многопозиционная радиолокация. - М.: Радио и связь, 1993, с. 155, 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 домножения на соответствующие весовые коэффициенты Q 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. Эта система и выбрана в качестве прототипа.
Блок-схема системы-прототипа представлена на фиг. 1.
Система является Т-канальной (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 (функциональный преобразователь), 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 системы подключен к соответствующему входу сумматора 6.
Сигналы с выходов умножителей 5 поступают в общую часть системы, которая содержит:
6 - сумматор на Т 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 системы.
Система 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 t - номер обнаружителя (или позиции МПРЛС);
Т - количество объединяемых обнаружителей;
;  - частные решения объединяемых обнаружителей о наличии сигнала или его отсутствии;
t
t
D, F - вероятности правильного обнаружения и ложной тревоги соответственно;
- весовые коэффициенты .
t
t
t
t
t
Система работает следующим образом (рассмотрим работу одного t-го канала системы, поскольку каналы идентичны). Аналоговый входной сигнал ξ поступает на вход согласованного фильтра 1, с выхода которого аналоговый сигнал в виде корреляционного интеграла q 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).
t
t
t
t
t
Недостатком прототипа является то, что по ЛПД в ЦОИ требуется передавать не только частные решения  в виде совокупности нулей и единиц (или только 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. Кроме того, в каждом из каналов прототипа не учитывается степень отклонения корреляционного интеграла q от порогового значения h при принятии частного решения , что приводит к снижению достоверности общего решения. Этот учет возможен за счет сравнения q с двумя порогами - верхним  и нижним . Приходим к трехальтернативному обнаружению [Ширман Я.Д., Манжос В.Н. Теория и техника обработки радиолокационной информации на фоне помех. - М.: Радио и связь, 1981. с. 10, 11, 14-17], в соответствии с которым частное решение о наличии сигнала принимается в случае превышения верхнего порога, а об отсутствии сигнала - при не превышении нижнего порога. В промежутке между порогами принимается частное решение «не знаю». В этом случае с целью упрощения выражения для решающей статистики алгоритм принятия частного решения удобно представить в виде
Следует заметить, что при использовании стандартного порогового устройства (к которому относятся пороговые устройства 2 и общее пороговое устройство 7 прототипа) частные решения принимаются по алгоритму
Поскольку значение  используется в (2) для отображения решения «не знаю», то целесообразно привести алгоритм (3) к виду
Алгоритм (2) реализуется в предлагаемой системе с помощью так называемого двухпорогового устройства, а алгоритм (4) - с помощью так называемого однопорогового устройства, формирующего частное решение . Структурные схемы этих устройств построены на базе известных элементов (порогового устройства, инвертора и схемы вычитания) и в материалах заявки не приводятся.
t
t
Целью изобретения является сокращение объема передаваемой по ЛПД информации (снижение загрузки ЛПД) и повышение достоверности принятого общего решения. В предлагаемой системе из каждой позиции МПРЛС достаточно передавать в ЦОИ только частные решения  и . Значения D и F учитываются при расчете соответствующих порогов и не требуют передачи в ЦОИ. В результате предлагаемых мер сокращается объем передаваемой по ЛПД информации, существенно упрощается решающая статистика, которая в случае принятия частных решений по алгоритмам (2), (4), а общего решения по большинству принимает вид
При этом значение порога в общем пороговом устройстве становится равным нулю (h=0).
Предлагаемая система обладает одной особенностью. Если значение решающей статистики (5) равно нулю, то принятие общего решения по большинству становится невозможным. В этом случае в системе предусмотрен переход от трехальтернативного формирования частных решений  двухпороговыми устройствами к двухальтернативному формированию частных решений  однопороговыми устройствами, а значение решающей статистики рассчитывается по формуле
Цель изобретения достигается тем, что из известной многоканальной системы, содержащей в каждом канале согласованный фильтр, пороговое устройство, линию передачи данных, блок расчета весового коэффициента и умножитель, а в общей части системы - сумматор (далее первый сумматор) и общее пороговое устройство, второй вход которого является внешним входом сигнала порогового уровня, а выход является выходом системы, исключены из каждого канала пороговое устройство, блок расчета весового коэффициента и умножитель, вместо которых введены двухпороговое и однопороговое устройства, пороговые входы которых являются внешними входами сигналов соответствующих пороговых уровней, а в общую часть системы введены второй сумматор, дешифратор, инвертор, первый и второй ключи и схема ИЛИ, причем выход первого сумматора подключен ко входу дешифратора, выход которого подключен к управляющему входу второго ключа и входу инвертора, выход которого подключен к управляющему входу первого ключа, а выход согласованного фильтра в каждом канале подключен ко входам двухпорогового и однопорогового устройств, выход каждого из которых через линию передачи данных подключен к соответствующему входу первого и второго сумматора, выход каждого из которых через соответствующий ключ и схему ИЛИ подключен ко входу общего порогового устройства.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемая многоканальная система отличается тем, что из каждого канала исключены пороговое устройство, блок расчета весового коэффициента и умножитель, вместо которых введены двухпороговое и однопороговое устройства, в общую часть системы введены второй сумматор, дешифратор, инвертор, два ключа и схема ИЛИ, а также связи введенных элементов между собой и с другими элементами системы.
Таким образом, заявляемая система соответствует критерию изобретения «новизна».
Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что вновь введенные элементы известны.
Однако при их введении в указанной связи с остальными элементами в заявляемую систему она проявляет новые свойства, что приводит к сокращению объема передаваемой по ЛПД информации (снижает загрузку линий передачи данных) и повышает достоверность принятого общего решения. Это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию «существенные отличия».
Блок-схема системы представлена на фиг. 2.
Система является Т-канальной (по числу позиций МПРЛС), причем каждый канал содержит:
1 - согласованный фильтр, выход которого подключен ко входам двухпорогового 8 и однопорогового 9 устройств;
8 - двухпороговое устройство, вход которого подключен к выходу согласованного фильтра 1, пороговые входы (второй и третий) являются внешними входами сигналов нижнего и верхнего пороговых уровней соответственно, а выход подключен к первому входу линии передачи данных 3;
9 - однопороговое устройство, вход которого подключен к выходу согласованного фильтра 1, пороговый вход (второй) является внешним входом сигнала порогового уровня, а выход подключен ко второму входу линии передачи данных 3;
3 - линию передачи данных, первый и второй вход которой подключены к выходам двухпорогового 8 и однопорогового 9 устройств соответственно, а первый и второй выход - к соответствующему входу первого и второго сумматоров 6 соответственно.
Общая часть системы содержит:
6 - первый сумматор на Τ входов, каждый из которых подключен к первому выходу соответствующей линии передачи данных 3. Выход первого сумматора 6 подключен к информационному входу первого ключа 12 и ко входу дешифратора 10;
6 - второй сумматор на Τ входов, каждый из которых подключен ко второму выходу соответствующей линии передачи данных 3. Выход второго сумматора 6 подключен к информационному входу второго ключа 12;
10 - дешифратор, вход которого подключен к выходу первого сумматора 6 и информационному входу первого ключа 12, а выход - ко входу инвертора 11 и управляющему входу второго ключа 12;
11 - инвертор, вход которого подключен к выходу дешифратора 10 и управляющему входу второго ключа 12, а выход - к управляющему входу первого ключа 12;
12 - первый ключ, информационный вход которого подключен к выходу первого сумматора 6 и ко входу дешифратора 10, управляющий вход подключен к выходу инвертора 11, а выход - к первому входу схемы ИЛИ 13;
12 - второй ключ, информационный вход которого подключен к выходу второго сумматора 6, управляющий вход - к выходу дешифратора 10 и входу инвертора 11, а выход - ко второму входу схемы ИЛИ 13;
13 - схема ИЛИ, первый и второй входы которой подключены к выходам первого и второго ключей 12 соответственно, а выход - ко входу общего порогового устройства 7;
7 - общее пороговое устройство, вход которого подключен к выходу схемы ИЛИ 13, второй вход является внешним входом сигнала порогового уровня, а выход является выходом системы.
t
t
Система работает следующим образом (рассмотрим работу одного t-го канала системы, поскольку каналы идентичны). Аналоговый входной сигнал ξ поступает на вход согласованного фильтра 1, с выхода которого аналоговый сигнал в виде корреляционного интеграла q поступает на входы двухпорогового 8 и однопорогового 9 устройств. В зависимости от результата сравнения с порогами эти устройства формируют соответствующие частные решения (двухпороговое устройство 8 - частное решение  по алгоритму (2), а однопороговое устройство 9 - частное решение  по алгоритму (4)). Частное решение  с выхода двухпорогового устройства 8 через линию передачи данных 3 поступает на соответствующий вход первого сумматора 6. Аналогично частное решение  с выхода однопорогового устройства 9 через линию передачи данных 3 поступает на соответствующий вход второго сумматора 6. Сформированные в сумматорах 6 значения решающих статистик (в первом и  во втором сумматоре) поступают на информационные входы соответственно первого и второго ключей 12. Подключенный к выходу первого сумматора 6 дешифратор 10 настроен на распознавание нулевого значения решающей статистики. В этом случае (при Z=0) на выходе дешифратора 10 формируется единичный сигнал «1», который поступает на управляющий вход второго ключа 12, отпирая его и разрешая прохождение значения решающей статистики  с выхода второго сумматора 6 через схему ИЛИ 13 на вход общего порогового устройства 7. Этот же единичный сигнал «1» с выхода дешифратора 10 после преобразования в инверторе 11 в нулевой «0» поступает на управляющий вход первого ключа 12, запирая его. При любом отличном от нуля значении решающей статистики на выходе первого сумматора 6 дешифратор 10 не срабатывает, на его выходе присутствует нулевой сигнал «0», который поступает на управляющий вход второго ключа 12, запирая его, а после преобразования в инверторе 11 в единичный «1» поступает на управляющий вход первого ключа 12, отпирая его и разрешая прохождение значения решающей статистики  с выхода первого сумматора 6 через схему ИЛИ 13 на вход общего порогового устройства 7.
*
Таким образом, на вход общего порогового устройства 7 поступает значение решающей статистики Ζ либо с выхода первого сумматора 6 (частные решения  формируются двухпороговыми устройствами 8), либо с выхода второго сумматора 6 (частные решения  формируются однопороговыми устройствами 9). Это значение сравнивается с величиной порога h=0, 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).
Для оценки достоверности общего решения, формируемого предлагаемой системой, проводилось имитационное статистическое моделирование работы системы с использованием персонального компьютера.
*
*
*
ЛT
ПО
В каждом такте моделирования формировались истинное значение оцениваемого параметра θ, принимающего два значения, 0 (нет сигнала) или 1 (есть сигнал), с равными априорными вероятностями, а также значения корреляционных интегралов. Корреляционные интегралы моделировались как гауссовские случайные величины с математическим ожиданием, определяемым сформированным истинным значением оцениваемого параметра θ, и среднеквадратическими отклонениями, определяемыми отношением сигнал/шум. Значения корреляционных интегралов сравнивались с порогами, в результате чего формировались частные решения (оценки) обнаружителей, которые объединялись в соответствии с логикой работы предлагаемой системы и формировалось общее решение (окончательная оценка) θ. Окончательная оценка сравнивалась с истинным значением оцениваемого параметра θ. В результате многократного повторения подсчитывалось число ложных тревог N и правильных обнаружений N. По этим значениям рассчитывались статистические оценки вероятностей ложной тревоги F и правильного обнаружения D
; ,
0
где N - число опытов (тактов моделирования), в которых сигнала на входах обнаружителей не было;
1
N - число опытов (тактов моделирования), в которых сигнал на входах обнаружителей был.
ЛТ
ЛТ
ПО
-5
*
-5
*
-5
В Черняк B.C. Многопозиционная радиолокация. - М.: Радио и связь, 1993, с.163 приведен пример оценки вероятностей ложной тревоги и правильного обнаружения системой-прототипом в составе трех обнаружителей. Для количественного сравнения с прототипом проведено моделирование работы предлагаемой системы, состоящей также из трех обнаружителей, при тех же исходных данных. При моделировании в качестве заданной вероятности ложной тревоги была взята Р=9,5⋅10, достигаемая в прототипе при решающем правиле «2 из 3» (предлагаемая система, в которой реализуется голосование по большинству, по физической сущности наиболее близка к прототипу при применении именно такого решающего правила). В результате моделирования получены оценки F=7,8⋅10; D=0,995 (оценка вероятности пропуска сигнала 0,005) при их относительной погрешности 5% и доверительной вероятности 0,95, которые достигаются при 20 миллионах опытов (тактов моделирования). В прототипе обеспечиваются вероятность ложной тревоги Р=9,5⋅10, вероятность правильного обнаружения Р=0,974 (вероятность пропуска сигнала 0,026). Следовательно, при меньшей вероятности ложной тревоги предлагаемая система обеспечивает уменьшение вероятности пропуска сигнала с 0,026 до 0,005 (более чем на 80%), что свидетельствует о повышении достоверности принятого системой решения.