RU2100822C1 - Ранговый адаптивный последовательный обнаружитель сигналов - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в радиолокационных устройствах для обнаружения сигналов с изменяющейся мощностью в условиях совместного воздействия шума и потока несинхронных импульсных помех с неизвестным законом распределения. Изобретение позволяет увеличить помехозащищенность рангового адаптивного последовательного обнаружителя сигналов. Это достигается адаптацией рангового последовательного обнаружителя сигналов в условиях совместного действия шума и несинхронных импульсных помех путем оценивания параметров помехи и использования их для коррекции оценки отношения сигнал-шум. 7 ил., 1 табл.

Description

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в радиолокационных устройствах для обнаружения сигналов с изменяющейся мощностью в условиях совместного воздействия шума и потока несинхронных импульсных помех с неизвестным законом распределения.

Известен адаптирующийся ранговый обнаружитель, содержащий последовательно включенные согласованный фильтр и детектор, многоотводную линию задержки, m выходов которой соединены с блоком вычисления ранга, (m+1)-й вход которого соединен с входом многоотводной линии задержки, и последовательно соединенные рециркуляционный накопитель и блок принятия решения, аналого-цифровой преобразователь, включенный между детектором и линией задержки, блок измерения статистических характеристик, первый и второй входы которого соединены соответственно с первым и последним выходами многоотводной линии задержки, постоянное запоминающее устройство, первый вход которого соединен с выходом блока вычисления ранга, второй вход с первым, а третий с вторым выходом блока измерения статистических характеристик, а выход постоянного запоминающего устройства соединен с входом рециркуляционного накопителя, при этом блок измерения статистических характеристик содержит первый и второй квадраторы, последовательно включенные первый рециркуляционный накопитель и первый блок деления, последовательно включенные второй рециркуляционный накопитель и третий квадратор, выход которого соединен с вторым входом первого блока деления, а также счетчик, кроме того, выход блока вычисления ранга соединен с третьим входом блока измерения статистических характеристик, выход блока принятия решения соединен с четвертым входом блока измерения статистических характеристик и входом обнуления рециркуляционного накопителя, а блок измерения статистических характеристик также содержит первый и второй блоки вычитания и последовательно включенные вычислитель частной оценки сигнала, первый вход которого соединен с выходом первого блока деления, третий рециркуляционный накопитель и второй блок деления, второй вход которого соединен с выходом счетчика, при этом выходы первого и второго квадраторов соединены соответственно с первым и вторым входами первого блока вычитания, выход которого соединен с входом первого рециркуляционного накопителя, а выход второго блока вычитания соединен с входом второго рециркуляционного накопителя, причем первым, вторым, третьим и четвертым входами и первым и вторым выходами блока измерения статистических характеристик соответственно являются соединенные между собой вход первого квадратора и первый вход второго блока вычитания, соединенные между собой вход второго квадратора и второй вход второго блока вычитания, второй вход вычислителя частной оценки сигнала, соединенные между собой входы обнуления счетчика и первого, второго и третьего рециркуляционных накопителей и выходы первого и второго блоков деления, блок принятия решения выполнен в виде первого компаратора и последовательно включенных второго компаратора, элемента ИЛИ, счетчика решений и третьего компаратора, выход которого соединен с входом обнуления счетчика решений, причем выход первого компаратора соединен с вторым входом элемента ИЛИ, а входом и выходом блока принятия решения соответственно являются соединенные между собой входы первого и второго компараторов и выход третьего компаратора, блок вычисления ранга выполнен в виде m компараторов, выходы которых соединены с соответствующими входами сумматора, причем m-ми входами, (m+1)-м входом и выходом блока вычисления ранга соответственно являются первые входы компараторов, соединенные между собой вторые входы m компараторов и выход сумматора, рециркуляционный накопитель выполнен в виде последовательно включенных сумматора и блока памяти, выход которого соединен с первым входом сумматора, причем входом и входом обнуления и выходом рециркуляционного накопителя соответственно являются второй вход сумматора, второй вход блока памяти и выход сумматора [1]
Известное устройство имеет низкую помехозащищенность, что обусловлено существенным ухудшением характеристик качества адаптирующегося рангового обнаружителя сигналов с адаптацией по шуму с неизвестным законом распределения в условиях совместного воздействия шума и потока несинхронных импульсных помех с произвольным статистическим законом распределения. Ухудшение характеристик качества может быть выражено через эквивалентное приращение порогового отношения сигнал-шум Δa зависящее от параметров импульсной помехи γ (вероятность появления импульса помехи в каком-либо канале дальности) и b (отношение помеха-шум) [2] Измеряя параметры помехи g, b и используя соотношения между ними и Da, можно ввести поправку в измерение отношения сигнал-шум

на величину

и тем самым осуществить адаптацию рангового последовательного обнаружителя сигналов к совместному воздействию шума и потока несинхронных импульсных помех [3]
Технический результат заключается в увеличении помехозащищенности.

Для этого в адаптирующийся ранговый обнаружитель, содержащий последовательно включенные согласованный фильтр, детектор, аналого-цифровой преобразователь и многоотводную линию задержки и последовательно включенные вычислитель ранга, блок постоянной памяти, накопитель, блок принятия решения и измеритель статистических характеристик, первый и второй выходы которого соединены соответственно с вторым и третьим входами блока постоянной памяти, при этом m выходов многоотводной линии задержки соединены с соответствующими m входами вычислителя ранга, (m+1)-й вход которого соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, выход блока принятия решения соединен с вторым входом накопителя, а первый и последний выходы многоотводной линии задержки соединены соответственно с вторым и третьим входами измерителя статистических характеристик, при этом вычислитель ранга содержит m компараторов, выходы которых соединены с соответствующими входами сумматора, причем m входами, (m+1)-м входом и выходом вычислителя ранга соответственно являются первые входы m компараторов, соединенные между собой вторые входы m компараторов и выход сумматора, накопитель содержит последовательно включенные блок сложения и блок памяти, выход которого соединен с первым входом блока сложения, при этом первым и вторым входами и выходом накопителя соответственно являются второй вход блока сложения, вход обнуления блока памяти и выход блока сложения, блок принятия решения содержит первый компаратор и последовательно включенные второй компаратор, элемент ИЛИ, счетчик и третий компаратор, выход которого соединен с входом обнуления счетчика, при этом выход первого компаратора соединен с вторым входом элемента ИЛИ, а входом и первым и вторым выходами блока принятия решения соответственно являются соединенные между собой входы первого и второго компараторов, выходы третьего и первого компараторов, измеритель статистических характеристик содержит первый квадратор, последовательно включенные второй квадратор, первый блок вычитания, первый накопитель и первый блок деления, последовательно включенные второй блок вычитания, второй накопитель и третий квадратор, выход которого соединен с вторым входом первого блока деления, третий накопитель и последовательно включенные первый счетчик и второй блок деления, при этом вход первого квадратора соединен с первым входом второго блока вычитания непосредственно, а с вторым входом первого блока вычитания через первый квадратор, вход второго квадратора соединен с вторым входом второго блока вычитания, а первым, вторым и третьим входами и первым выходом измерителя статистических характеристик соответственно являются соединенные между собой входы обнуления первого, второго и третьего накопителей и первого счетчика, вход первого квадратора, вход второго квадратора и выход первого блока деления, в измеритель статистических характеристик введены последовательно включенные третий блок вычитания, первый блок возведения в степень и весовой блок, выход которого соединен с первым входом первого мультиплексора непосредственно, а с вторым входом первого мультиплексора через последовательно соединенные дополнительный весовой блок и инвертор, последовательно включенные третий накопитель и четвертый блок вычитания, выход которого соединен с третьим входом первого мультиплексора непосредственно, а с первым и вторым управляющими входами первого мультиплексора через первый и второй компараторы соответственно, и последовательно включенные четвертый квадратор, вход которого соединен с выходом третьего накопителя, и третий блок деления, второй вход которого соединен с выходом первого накопителя и первым входом третьего блока вычитания, соединенного своим вторым входом с выходом третьего квадратора, при этом выход первого мультиплексора соединен с вторым входом второго блока деления, выход которого соединен с входом третьего накопителя, вторые входы первого и второго компараторов соединены соответственно с выходом весового блока и выходом инвертора, при этом четвертым входом измерителя статистических характеристик является второй вход четвертого блока вычитания, соединенный с выходом аналого-цифрового преобразователя, K компараторов, соединенные своими первыми входами с входом первого квадратора, а выходами с соответствующими управляющими входами второго мультиплексора, К входов которого соединены с соответствующими вторыми входами К компараторов и с соответствующими выходами К весовых блоков, вторые входы которых соединены с первым входом первого блока деления, первый управляющий вход второго мультиплексора соединен с вторым входом блока умножения через последовательно включенные второй счетчик, вход обнуления которого соединен с входом обнуления первого накопителя, и четвертый блок деления, первый вход которого соединен с выходом первого счетчика, при этом выход второго мультиплексора соединен с входом второго блока возведения в степень, выход которого соединен с первым входом блока умножения, соединенного своим выходом с первым входом первого блока сложения, последовательно включенные первый блок сложения, третий блок возведения в степень и второй блок сложения, второй вход которого соединен с выходом третьего блока деления, при этом вторым выходом измерителя статистических характеристик является выход второго блока сложения.

На фиг.1 приведена структурная электрическая схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 структурная электрическая схема измерителя статистических характеристик; на фиг.3 структурная электрическая схема блока принятия решения; на фиг.4 структурная электрическая схема вычислителя ранга; на фиг.5 структурная электрическая схема накопителя; на фиг.6 - эпюры, поясняющие работу предлагаемого устройства; на фиг.7 график зависимости параметра p от размера опорной выборки m.

Ранговый адаптивный последовательный обнаружитель сигналов содержит согласованный фильтр 1, детектор 2, аналого-цифровой преобразователь 3, многоотводную линию 4 задержки, вычислитель 5 ранга, блок 6 постоянной памяти, накопитель 7, блок 8 принятия решения и измеритель 9 статистических характеристик, который содержит первый квадратор 10, первый блок 11 вычитания, второй квадратор 12, первый накопитель 13, второй блок 14 вычитания, второй накопитель 15, третий квадратор 16, первый блок 17 деления, третий блок 18 вычитания, первый блок 19 возведения в степень, весовой блок 20, инвертор 21, первый мультиплексор 22, первый компаратор 23, второй компаратор 24, четвертый блок 25 вычитания, третий накопитель 26, второй блок 27 деления, первый счетчик 28, четвертый квадратор 29, третий блок 30 деления, дополнительный весовой блок 31, K компараторов 32, K весовых блоков 33, второй счетчик 34, четвертый блок 35 деления, второй мультиплексор 36, второй блок 37 возведения в степень, блок 38 умножения, первый блок 39 сложения, третий блок 40 возведения в степень и второй блок 41 сложения, блок 8 принятия решения содержит первый, второй и третий компараторы 42, 43 и 44, элемент ИЛИ 45 и счетчик 46, вычислитель 5 ранга содержит m компараторов 47 и сумматор 48, накопители 7, 13, 15 и 26 содержат блок 49 сложения и блок 50 памяти.

Ранговый адаптивный последовательный обнаружитель сигналов работает следующим образом.

Входная смесь сигнала, шума и несинхронной импульсной помехи после фильтрации в согласованном фильтре 1 детектируется в детекторе 2, преобразовывается в цифровую форму в аналого-цифровом преобразователе 3 и поступает на вычислитель 5 ранга и многоотводную линию 4 задержки, выполненную, например, на многоразрядном регистре сдвига, причем сдвиг информации осуществляется с периодом, равным одному элементу разрешения во времени. Вычислитель 5 ранга производит вычисление ранга отсчета испытуемого канала относительно отсчетов m соседних каналов, в которых при существенной асимметрии канала присутствует практически только смесь шума и несинхронной импульсной помехи. Ранг r $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{z}}{\text{n}}$ (n-го периода наблюдения, 2-го канала) поступает на первый вход блока 6 постоянной памяти, в котором записаны заранее вычисленные значения логарифма отношения правдоподобия ранга λ, являющегося функцией значения ранга, отношения квадрата математического ожидания шума M $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{1}}$ к мощности шума M₂ и параметра a', представляющего скорректированную (при наличии несинхронной импульсной помехи) оценку значения отношения сигнал-шум по мощности. Отношение M $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{1}}$ /M₂ измеряется для действующего шума измерителем 9 статистических характеристик и поступает на второй вход блока 6 постоянной памяти. По поступающим на четвертый вход измерителя 9 статистических характеристик значениям отсчета исходной реализации смеси сигнала, шума и импульсной помехи производится скорректированная (с учетом импульсной помехи) оценка значения сигнал-шум a' в каждом из исследуемых каналов. Если сигнал в исследуемом канале отсутствует, то формируется псевдооценка, которая стремится к нулю (

). В результате на первый, второй и третий входы блока 6 постоянной памяти поступают соответственно значения ранга r $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{z}}{\text{n}}$ оценки отношения моментов

и параметра

.

По поступившим на вход блока 6 постоянной памяти значениям параметров

на его выходе формируется значение логарифма функции правдоподобия, соответствующее этой комбинации параметров. В блоке 6 постоянной памяти записаны заранее рассчитанные значения λ для практически возможных комбинаций входных параметров. Для расчета значений l используется следующая методика:
1) по отношению моментов определяется параметр формы распределения Вейбулла d из соотношения

с учетом связи между моментами ν-го порядка и параметрами распределения Вейбулла
Mν = c^-ν/dГ(1+ν/d),
где Г(•) гамма-функция. Связь между отношением моментов M $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{1}}$ /M₂ и параметром d, устанавливаемая этим соотношением, носит однозначный монотонный характер;
2) для фиксированного значения второго начального момента (обычно для M₂=2) определяется параметр масштаба с распределения Вейбулла из соотношения

3) производится расчет логарифма отношения правдоподобия по следующим соотношениям для всех значений ранга r 0 m

где G(t)=1-exp{-ct^d} распределение шума, аппроксимируемое распределением Вейбулла;

где F(t) распределение смеси сигнала с шумом; y переменная интегрирования; m размер опорной выборки.

Хотя приведенные значения логарифма отношения правдоподобия вычислялись для фиксированного значения M₂, они будут иметь точно такое же значение и для других значений второго начального момента при фиксированных M $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{1}}$ /M₂ и a'. На величину логарифма отношения правдоподобия влияет не абсолютное значение M₂, а его соотношение с первым начальным моментом и мощностью сигнала.

Учитывая, что связь между логарифмами отношения правдоподобия λ, рангом r и параметрами адаптации M $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{1}}$ /M₂ и a' носит сложный трансцендентный характер, определение λ иным путем, чем использование блока 6 постоянной памяти, нецелесообразно и практически невозможно. Вопросы оптимизации количественной организации матрицы отношения правдоподобия (количество уровней квантования и практический диапазон изменения параметров) детально исследованы. Рекомендуется отношение моментов M $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{1}}$ /M₂, диапазон изменения которого составляет 0 1,0, квантовать с шагом 0,1, а отношение сигнал-шум a' квантовать с шагом 0,25 0,5 в пределах ожидаемого диапазона значений (обычно 0,5 5). Потери при этом составляют около 10% В качестве примера в таблице приведены значения логарифма отношения правдоподобия для различных комбинаций r и a' при M $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{1}}$ /M₂=0,785, что соответствует совпадению распределения Вейбулла с распределением Релея (d=2).

Данная таблица представляет собой элемент трехадресного куба блока 6 постоянной памяти. Поступающие на его вход значения параметров r,

формально являются адресами, необходимыми для поиска ячейки, содержащей нужное значение λ. С выхода блока 6 постоянной памяти величина

соответствующая поступившим входным значениям, поступает в накопитель 7, где суммируется с ранее записанной суммой этих величин за предыдущие (n-1) периодов наблюдений в данном канале. Далее эта сумма в блоке 8 принятия решения испытывается на пороги A = ln[(1-β)/α] и B = ln[β/(1-α)] для вынесения решения по последовательному правилу, где α и β вероятности ложной тревоги и пропуска сигнала соответственно. После принятия решения во всех каналах на выходе блока 8 принятия решения формируется импульс сброса, который поступает на вход обнуления накопителя 7 и первый вход измерителя 9 статистических характеристик, устанавливая перечисленные блоки в исходное состояние. Этот же импульс поступает и во внешние синхронизирующие устройства. Выходом рангового адаптивного последовательного обнаружителя сигналов является выход первого компаратора 42 блока 8 принятия решения.

Оценка отношения сигнал-шум a, а затем и оценка скорректированного (с учетом действия несинхронной импульсной помехи) отношения сигнал-шум a', производятся с помощью измерителя 9 статистических характеристик следующим образом (фиг.2).

Первоначально производится оценка амплитуды сигнала. Принимая во внимание то, что ранговые обнаружители предназначены для работы в априорно неопределенной помехошумовой обстановке, а также асимметрию плотности распределения смеси сигнала с шумом при малых сигналах, для оценки амплитуды сигнала используется "робастный" (устойчивый к смене распределений) рекуррентный алгоритм оценивания следующего вида [3]

где

и x_n значения оценки амплитуды сигнала и отсчета исходной реализации смеси сигнала и шума на n-м шаге наблюдений; l(x_n+1

) функция ограничения, определяемая как

где

k₁, K₂ некоторые коэффициенты.

Алгоритм оценки амплитуды сигнала является рекуррентным, что важно при последовательном обнаружении, когда оценка должна выдаваться в любой произвольный момент времени. Робастность достигается за счет ограничения экстремальных отсчетов.

В приведенном алгоритме используется несимметричное ограничение отсчетов, выражающееся в неравенстве коэффициентов k₁ и k₂. Алгоритм - адаптивный и рассчитан на использование в нестационарной помехошумовой ситуации. Адаптация к уровню шума осуществляется перестройкой уровней ограничения в зависимости от оценки его среднеквадратического значения

Анализ показывает, что при изменении отношения сигнал-шум a от 0,5 до 10 отношение k₂/k₁ принимает значения в пределах от 0,25 до 1,0 в зависимости от параметров формы d.

Ввиду того, что значение U априори неизвестно, имеет смысл осуществлять некоторое усредненное ограничение, которое обеспечивало бы в среднем хорошее качество оценки в пределах рабочего диапазона отношения сигнал-шум a. Таким усредненным значением отношения k₂/k₁ в диапазоне a от 0 до 6 целесообразно выбрать величину 0,3 при

. Так, при отношениях a 0,5 1,0 и числе наблюдений n=10 введение асимметричного ограничения при k₂/k₁=0,3 в релеевском шуме (d= 2) позволяет уменьшить величину относительной среднеквадратической ошибки δU на 40% Одновременно при этих же условиях уменьшается среднее относительное смещение оценки ΔU /U в два раза. Для наиболее характерных значений параметра формы d > 0,5 2,0 величина среднеквадратической ошибки оказывается еще меньшей.

Анализ качества алгоритма показал, что алгоритм обеспечивает устойчивость оценки амплитуды сигнала в нестационарной помехошумовой обстановке и с другими распределениями. Анализ проводился для распределений типа Релея, Вейбулла, логнормального и др.

Существенное ухудшение характеристик качества рангового последовательного обнаружителя с адаптацией по шуму при совместном воздействии шума и потока несинхронных импульсных помех с произвольным законом распределения приводит к необходимости создания рангового последовательного обнаружителя, адаптирующегося в этих условиях.

Анализ характеристик качества рангового последовательного обнаружителя (зависимости вероятности правильного обнаружения сигнала D и среднего числа наблюдений n от отношения сигнал-шум a) в условиях совместного воздействия шума и импульсных помех для различных значений параметров γ (вероятность появления импульса помехи в каком-либо элементе разрешения (канале дальности)), b (отношение помеха-шум), m (размер опорной выборки), n (число наблюдений), a (вероятность ложной тревоги) позволил установить зависимость приращения порогового отношения сигнал-шум Da по уровню D=D₁ (расчетная вероятность правильного обнаружения) при a₁=const (a₁ расчетное отношение сигнал-шум) для характеристик обнаружения D(a) и по уровню

при a₁=const для характеристик

(a). Она имеет вид [2]

где p параметр, величина которого зависит от m, как показано на фиг.7. Так, например, при m=20 значение параметра p=-1,1.

Используя зависимость (1), можно, располагая лишь характеристиками качества рангового последовательного обнаружителя сигналов в условиях шума, получить характеристики качества для условий совместного воздействия шума и потока импульсных помех с произвольными параметрами γ и b. Другими словами, наличие импульсной помехи с параметрами g и b эквивалентно увеличению порогового отношения сигнал-шум a на величину Da
Следовательно, с целью адаптации рангового последовательного обнаружителя сигналов в условиях совместного действия шума и несинхронных импульсных помех необходимо производить оценки

и далее использовать их для коррекции оценки отношения сигнал-шум по следующему алгоритму [3]

Оценка вероятности γ производится через относительную частоту превышения некоторого порогового уровня отсчетами смеси шума и импульсной помехи. Так как свойства несинхронной импульсной помехи не зависят от дальности, поэтому безразлично, на какой дальности оценивать g А поскольку отражения от местных предметов имеют место на малых дальностях, то оценки вероятности g будем производить на средних и больших дальностях. Так, при числе разрешаемых элементов 1024 отсчет превышений некоторого порогового уровня можно начинать с 513-го элемента дальности и продолжать до 1024-го элемента. По истечении всего периода (1024 элемента) получаем оценку g.

Сущность оценивания другого параметра b, заключается в сравнении отсчета смеси шума и импульсной помехи с порогами квантования и в формировании на основе этого оценок

в зависимости от того, какой из порогов превышен. Если имеет место только шум (ни один из порогов не превышен), то

0.

Проанализировано качество адаптации рангового последовательного обнаружителя сигналов в условиях шума и несинхронных импульсных помех. Для этого оценены среднеквадратические отклонения вероятности правильного обнаружения (σ_ΔD) и среднего числа наблюдений

[3] При расчетах принималась во внимание точность оценок параметров γ b, a и точность аппроксимации вида (1).

Оценки параметров g b, a и оценка аппроксимации некоррелированы, поэтому можно записать [3]

В связи с тем, что оценка вероятности γ определяется как относительная частота некоторого события A (превышение порогового уровня), запишем [3]

где l число появлений события A (величина l имеет биномиальное распределение);
N общее число испытаний. Относительная частота

является несмещенной состоятельной оценкой для соответствующей вероятности, равной математическому ожиданию

[3] Дисперсия

определяется

Полагая, что N=512, получаем при

0,2 (одно из характерных значений вероятности появления импульса помехи)

При оценивании b используется разбиение на уровни квантования диапазона наиболее вероятных значений b. Шаг квантования принимается равным 0,5 В. Дисперсия

выражается [3]

где

0,5 В элементарный интервал.

Как указано в [3] максимальное отклонение характеристик качества от потенциальных характеристик за счет адаптации рангового последовательного обнаружителя по шуму составляет 20% Принимая закон распределения отклонения нормальным, находим дисперсию

где

20%
Аналогично выражается дисперсия оценки аппроксимации (1)

где, как показывают расчеты,
Δ_аппр (15-20)% (для расчетов берем Δ_аппр 20%).

Величины частных производных, входящих в выражения (3), (4), определяем с помощью графиков зависимостей D(a) и

(a) в условиях совместного действия шума и потока несинхронных импульсных помех [3] При этом полагаем, что частные производные приближенно равны отношению соответствующих приращений по уровню D= D₁= 0,9 при a₁=const (для производных из выражения (3)) и по уровню

при a₁=const (для производных из выражения (4)).

Из выражений (3), (4) окончательно получаем σ_ΔD ≈ 10%

≈ 11%
Таким образом, применяя ранговый адаптивный последовательный обнаружитель сигналов в условиях совместного действия шума и потока несинхронных импульсных помех с неизвестным законом распределения, обеспечиваем тем самым хорошее соответствие показателей качества их потенциально достижимым значениям. Это удается осуществить, используя корректировку оценки отношения сигнал-шум согласно (2). При этом среднеквадратические отклонения от потенциально достижимых значений D и

как показывают расчеты, не превышают 10% и 11% соответственно.

Оценка амплитуды сигнала U и, в дальнейшем, отношения сигнал-шум a и скорректированного (с учетом действия несинхронных импульсных помех совместно с шумом) отношения сигнал-шум a' осуществляется в измерителе 9 статистических характеристик, который работает следующим образом (см. фиг.2).

На вход первого накопителя 13 поступает полученная с помощью первого и второго квадраторов 10, 12 и первого блока 11 вычитания разность квадратов шумового сигнала, присутствующего на первом и последнем отводах многоотводной линии 4 задержки. На вход второго накопителя 15 поступает полученная с помощью второго блока 14 вычитания разность шумового сигнала, присутствующего на первом и последнем отводах многоотводной линии 4 задержки. Таким образом, на выходе второго и первого накопителей 15 и 13 имеем соответственно для z-го канала

Величины

являются оценками (с точностью до сомножителя (m-1)) среднего значения M₁ и мощности шума M₂. После возведения величины

(m-1) в квадрат в третьем квадраторе 16 и деления на

(m-1) в первом блоке 17 деления, на выходе первого блока 17 деления образуется величина

По поступающим на первый и второй входы третьего блока 18 вычитания значениям оценок

на выходе третьего блока 18 вычитания формируется разность

которая поступает далее в первый блок 19 возведения в степень, на выходе которого формируется оценка параметра σ служащего масштабом ограничения,

Полученная оценка поступает на первый вход весового блока 20, на выходе которого образуется произведение

которое поступает на первый (информационный) вход первого мультиплексора 22 и второй вход первого компаратора 23, а также поступает через последовательно включенные дополнительный весовой блок 31 и инвертор 21 на второй (информационный) вход первого мультиплексора 22 и второй вход второго компаратора 24.

По поступающим на второй и первый входы четвертого блока 25 вычитания значениям отсчета исходной реализации смеси сигнала и шума, которые формируются на выходе аналого-цифрового преобразователя 3 (фиг.1), и оценки амплитуды исходной реализации смеси сигнала и шума на n-м шаге наблюдений соответственно, на выходе четвертого блока 25 вычитания формируется разность

которая поступает далее на третий (информационный) вход первого мультиплексора 22 и на первые входы первого и второго компараторов 23, 24, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым управляющими входами первого мультиплексора 22. Поступающая на первые входы первого и второго компараторов 23, 24 разность

сравнивается в первом компараторе 23 с произведением

и во втором компараторе 24 с произведением

Если выполняется одно из соотношений

или

или

то на первом и втором управляющих входах первого мультиплексора 22, соответственно, принципиально возможны следующие состояния:
1) 00 соответствует значению функции ограничения

2) 10 соответствует значению функции ограничения

3) 01 соответствует значению функции ограничения

Полученное на выходе первого мультиплексора 22 значение функции ограничения

поступает далее на второй вход второго блока 27 деления. Первый счетчик 28 подсчитывает поступающие на его счетный вход из внешнего синхронизирующего устройства (на фиг.2 не показано) тактовые импульсы, соответствующие периоду повторения наблюдений. Результат подается на первый вход второго блока 27 деления, на выходе которого появляется величина

которая поступает в третий накопитель 26, где суммируется с накопленными за предыдущие периоды повторения значениями оценок амплитуды сигнала U данного элемента разрешения. Результирующая сумма

запоминается в третьем накопителе 26 и поступает на первый вход четвертого блока 25 вычитания и на вход четвертого квадратора 29, на выходе которого формируется величина

которая поступает далее на первый вход третьего блока 30 деления, на второй вход которого поступает значение оценки мощности шума

На выходе третьего блока 30 деления формируется оценка отношения сигнал-шум данного элемента разрешения

По поступающим на первые входы K компараторов 32 (число компараторов выбирается по количеству уровней квантования диапазона наиболее вероятных значений b(1 ≅ b ≅ 10) и, как показывают расчеты, равно 10) значениям отсчетов смеси шума и импульсной помехи Y_j, которые снимаются с первого отвода многоотводной линии 4 задержки, и поступающим на вторые входы компараторов 32 значениям порогов C₁, C₂, C₃, C_K, на выходах K компараторов 32 появляются логические единицы и нули. Логические единицы означают превышение порогов C₁, C₂, C₃, C_K (наличие импульсов помехи в соответствующих элементах разрешения). Логические нули свидетельствуют о том, что в соответствующих каналах присутствует только шум.

Величины порогов

формируются в K весовых блоках 33 с использованием оценки второго начального момента

характеризующего мощность шума, которая поступает с выхода первого накопителя 13 на вторые входы К весовых блоков 33.

Результаты сравнения с порогом C₁ с выхода первого из K компараторов 32 поступают во второй счетчик 34, подсчитывающий число превышении смесью шума и импульсной помехи шумового порога C₁

Это число превышений подается на второй вход четвертого блока 35 деления, на первый вход которого поступает результат подсчета первым счетчиком 28 тактовых импульсов, соответствующих периоду повторения наблюдений. На выходе четвертого блока 35 деления получаем оценку

, которая поступает далее на второй вход блока 38 умножения.

На первый, второй, третий, K-й управляющие входы второго мультиплексора 36 поступают результаты сравнения отсчетов смеси шума и импульсной помехи с порогами C₁, C₂, C₃, C_K соответственно, а на первый, второй, третий, K-ый (информационные) входы второго мультиплексора 36 поступают значения этих порогов. Если выполнится одно из K+1 соотношений:

то на первом, втором, третьем, K-м управляющих входах второго мультиплексора 36 соответственно принципиально возможны следующие состояния: 1) 111. 1; 2) 111.10; 3) 111.100; K) 100.0; K+1) 000.0. Состояния 1 K соответствуют наличию шума и импульсной помехи, а для состояния K+1 характерно присутствие только шума. Если на управляющих входах второго мультиплексора 36 появляется состояние K+1, то на выходе его формируется псевдооценка отношения помеха-шум, которая стремится к нулю (

0). Для состояний 1 K на управляющих входах 1, 2, 3, K второго мультиплексора 36 характерны значения оценок

соответственно.

С выхода второго мультиплексора 36 оценка

поступает во второй блок 37 возведения в степень, на выходе которого формируется величина

, поступающая затем на первый вход блока 38 умножения, где имеем

. Далее полученное значение поступает на первый вход первого блока 39 сложения, на выходе которого образуется

. Полученная сумма подается на первый вход третьего блока 40 возведения в степень, на выходе которого имеем величину

, которая поступает на первый вход второго блока 41 сложения, на второй вход которого поступает оценка отношения сигнал- шум

, сформированная третьим блоком 30 деления без учета влияния несинхронной импульсной помехи. На выходе второго блока 41 сложения формируется скорректированная (с учетом совместного действия шума и несинхронной импульсной помехи) оценка отношения сигнал-шум

которая в условиях только шума равна

В вычислителе 5 ранга (фиг. 4) сравнивается исследуемый отсчет x_i с опорными помехошумовыми сигналами Y_j с помощью компараторов 47. Результаты сравнения (инверсии)

суммируются в сумматоре 48. Результирующая сумма

, появляющаяся на выходе сумматора 48, является рангом исследуемого отсчета.

Накопители 7, 13, 15 и 26 (фиг.5) работают следующим образом.

С выхода соответствующего блока сигнал поступает на второй вход блока 49 сложения. Одновременно с этим на первый вход блока 49 сложения поступает значение, накопленное за предыдущие (n-1) наблюдений сигнала. В результате на выходе блока 49 сложения образуется сумма n значений сигнала. Установка блока 50 памяти в исходное состояние происходит в случае принятия решения во всех анализируемых каналах с помощью импульса, поступающего на вход обнуления блока 50 памяти с выхода блока 8 принятия решения.

В процессе работы на адресный, третий, вход блока 50 памяти поступают сигналы синхронизации в соответствии с просматриваемыми каналами дальности.

Блок 8 принятия решения (фиг.3) работает следующим образом.

Поступающая на вход блока 8 принятия решения статистика

сравнивается в первом компараторе 42 с порогом A и во втором компараторе 43 с порогом B. Если выполнится одно из соотношений Λ_n≥ A или Λ_n≅ B то на выходах соответствующих компараторов 42 и 43 появятся логические единицы (второй компаратор 43 имеет инверсный выход), что означает принятие решения соответственно об обнаружении или необнаружении цели. Сигналы, свидетельствующие о принятии решения, поступают через элемент ИЛИ 45 на счетчик 46, где число их подсчитывается и затем сравнивается в третьем компараторе 44 с числом анализируемых каналов. При достижении равенства на выходе третьего компаратора 44 возникает импульс, который поступает на вход обнуления счетчика 46, устанавливая его в исходное состояние, также является сигналом сброса для других блоков рангового адаптивного последовательного обнаружителя сигналов.

На фиг. 6, A, B, C приведены эпюры, характеризующие вид синхросигналов, осуществляющих синхронизацию работы отдельных блоков предлагаемого устройства (синхронизатор на фиг.1 не показан).

На эпюре A изображен вид импульсов, период следования которых равен периоду повторения наблюдений. Эти импульсы поступают с синхронизатора на счетный вход первого счетчика 28 периодов повторения наблюдений (фиг.2), а также на вход сброса второго счетчика 34 и вход сброса счетчика 46 (фиг.3), осуществляя сброс второго счетчика 34 и счетчика 46 задним фронтом в конце каждого периода наблюдений.

На эпюре B изображен вид синхроимпульсов, период следования которых равен длительности интервала разрешения. Приведенные импульсы используются для синхронизации аналого-цифрового преобразователя 3 и многоотводной линии 4 задержки.

На эпюрах C изображена совокупность импульсов, характеризующих изменение адреса (числа в двоичном коде) в соответствии с анализируемыми элементами разрешения. Код адреса поступает на адресные входы блока 50 памяти накопителей 7, 13, 15 и 26 и осуществляет их синхронизацию.

Сравнительный анализ известного и предлагаемого устройств показал, что использование предлагаемого рангового адаптивного последовательного обнаружителя сигналов обеспечивает увеличение помехозащищенности, выражающееся в увеличении вероятности правильного обнаружения и уменьшении среднего числа наблюдений относительно расчетных значений характеристик D и

для обнаружителя с адаптацией в условиях только шума в 3,3 6,0 раза и 7,0 9,1 раза соответственно (m 20 30, α 10^-6 10^-12, a₁ 1,0, D₁ 0,9, g 0,05 0,25, b 5 10). Дальнейшее увеличение параметров помехи g, b приводит к еще более сильному увеличению по D и уменьшению по

. Кроме того, применение предлагаемого рангового адаптивного последовательного обнаружителя сигналов обеспечивает хорошее соответствие показателей качества их потенциально достижимым значениям в условиях совместного воздействия шума и потока несинхронных импульсных помех с произвольными параметрами γ и b (среднеквадратические отклонения от потенциально достижимых D и

не превышают 10 и 11% соответственно).

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР N 995042, кл. G 01 S 7/292, приоритет 27.03.81 (прототип).

2. Бирюков М. Н. Характеристики качества непараметрических последовательных обнаружителей в условиях шума и потока нестационарных помех с произвольными законами распределений. Муром, 1996, 28 с. Деп. в ВИНИТИ 24.05.96, N 1894-B96.

З. Бирюков М. Н. Ранговый последовательный обнаружитель сигналов с адаптацией в условиях шума и потока несинхронных импульсных помех с произвольными параметрами. Муром, 1996, 12 с. Деп. В ВИНИТИ 24.06.96, N 1695-В96.

Claims (1)

1. Ранговый адаптивный последовательный обнаружитель сигналов, содержащий последовательно включенные согласованный фильтр, детектор, аналого-цифровой преобразователь и многоотводную линию задержки и последовательно включенный вычислитель ранга, блок постоянной памяти, накопитель, блок принятия решения и измеритель статистических характеристик, первый и второй выходы которого соединены соответственно с вторым и третьим входами блока постоянной памяти, при этом m выходов многоотводной линии задержки соединены с соответствующими m входами вычислителя ранга, (m+1)-й вход которого соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, выход блока принятия решения соединен с вторым входом накопителя, а первый и последний выходы многоотводной линии задержки соединены соответственно с вторым и третьим входами измерителя статистических характеристик, при этом вычислитель ранга содержит m компараторов, выходы которых соединены с соответствующими входами сумматора, причем m входами, (m+1)-м входом и выходом вычислителя ранга соответственно являются первые входы m компараторов, соединенные между собой вторые входы m компараторов и выход сумматора, накопитель содержит последовательно включенные блок сложения и блок памяти, выход которого соединен с первым входом блока сложения, при этом первым и вторым входами и выходами накопителя соответственно являются второй вход блока сложения, вход обнуления блока памяти и выход блока сложения, блок принятия решения содержит первый компаратор и последовательно включенные второй компаратор, элемент ИЛИ, счетчик и третий компаратор, выход которого соединен с входом обнуления счетчика, при этом выход первого компаратора соединен с вторым входом элемента ИЛИ, а входом и первым и вторым выходами блока принятия решения соответственно являются соединенные между собой входы первого и второго компараторов, выходы третьего и первого компараторов, измеритель статистических характеристик содержит первый квадратор, последовательно включенные второй квадратор, первый блок вычитания, первый накопитель и первый блок деления, последовательно включенные второй блок вычитания, второй накопитель и третий квадратор, выход которого соединен с вторым входом первого блока деления, третий накопитель и последовательно включенные первый счетчик и второй блок деления, при этом вход первого квадратора соединен с первым входом второго блока вычитания непосредственно, а с вторым входом первого блока вычитания через первый квадратор, вход второго квадратора соединен с вторым входом второго блока вычитания, а первым, вторым и третьим входами и первым выходом измерителя статистических характеристик соответственно являются соединенные между собой входы обнуления первого, второго и третьего накопителей и первого счетчика, вход первого квадратора, вход второго квадратора и выход первого блока деления, отличающийся тем, что в измеритель статистических характеристик введены последовательно включенные третий блок вычитания, первый блок возведения в степень и весовой блок, выход которого соединен с первым входом первого мультиплексора непосредственно, а с вторым входом первого мультиплексора через последовательно соединенные дополнительный весовой блок и инвертор, последовательно включенные третий накопитель и четвертый блок вычитания, выход которого соединен с третьим входом первого мультиплексора непосредственно, а с первым и вторым управляющими входами первого мультиплексора через первый и второй компараторы соответственно, последовательно включенные четвертый квадратор, вход которого соединен с выходом третьего накопителя, третий блок деления, второй вход которого соединен с выходом первого накопителя и первым входом третьего блока вычитания, соединенного своим вторым входом с выходом третьего квадратора, при этом выход первого мультиплексора соединен с вторым входом второго блока деления, выход которого соединен с входом третьего накопителя, вторые входы первого и второго компараторов соединены соответственно с выходом весового блока и выходом инвертора, при этом четвертым входом измерителя статистических характеристик является второй вход четвертого блока вычитания, соединенный с выходом аналого-цифрового преобразователя, К компараторов, соединенные своими первыми входами с входом первого квадратора, а выходами с соответствующими управляющими входами второго мультиплексора, К входов которого соединены с соответствующими вторыми входами К компараторов и с соответствующими выходами К весовых блоков, вторые входы которых соединены с первым входом первого блока деления, первый управляющий вход второго мультиплексора соединен с вторым входом блока умножения через последовательно включенные второй счетчик, вход обнуления которого соединен с входом обнуления первого накопителя, и четвертый блок деления, первый вход которого соединен с выходом первого счетчика, при этом выход второго мультиплексора соединен с входом второго блока возведения в степень, выход которого соединен с первым входом блока умножения, соединенного своим выходом с первым входом первого блока сложения, последовательно включенные первый блок сложения, третий блок возведения в степень и второй блок сложения, второй вход которого соединен с выходом третьего блока деления, при этом вторым выходом измерителя статистических характеристик является выход второго блока сложения.

Images