способ обнаружения импульсных радиосигналов на фоне узкополосных помех

Формула изобретения

Способ обнаружения импульсных радиосигналов на фоне узкополосных помех, включающий оценку частоты и занимаемой полосы частот узкополосной помехи и согласованную фильтрацию сигнала с последующим пороговым принятием решения о его наличии или отсутствии по выбранному критерию, отличающийся тем, что определяют момент времени _o взятия опорного отсчета, в котором измеряют мгновенное значение помехи U_n(_o) и вычисляют значение коэффициента корреляции r(_o) узкополосной помехи, на основе чего при известной амплитуде U_m выходного сигнала согласованного фильтра вычисляют мгновенное значение порога принятия решения по формуле

П(_o) = r(_o)U_n(_o) + U_m/2,

которое устанавливают в пороговом устройстве обнаружителя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике приема импульсных радиосигналов, в частности к технике обнаружения радиосигналов в условиях узкополосных активных помех и может быть использовано в системах передачи информации и в радиолокации.

Известен способ обнаружения импульсных радиосигналов на фоне узкополосных помех, включающий последовательное выполнение операций оценки параметров помех, предварительной обеляющей фильтрации и согласованной фильтрации сигнала с последующим пороговым принятием решения о его наличии или отсутствии (Тузов Г.И. и др. Помехозащищенность радиосистем со сложными сигналами, - М. : Радио и связь, 1985, с. 209 - 210). При реализации этого способа обнаружения форма амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) и параметры обеляющего фильтра должны выбираться в полном соответствии с параметрами спектров сигнала и узкополосных помех. Однако в реальных условиях такой фильтр часто оказывается физически нереализуемым, а известные приближения к нему приводят к уменьшению отношения сигнал/шум на его выходе и в конечном итоге к снижению достоверности обнаружения сигнала. Кроме этого, перестройка этого фильтра при изменении помеховой обстановки требует соответствующей перестройки согласованного с полезным сигналом фильтра, что технически не всегда возможно.

Наиболее близким к предлагаемому является способ обнаружения импульсных радиосигналов на фоне узкополосных помех, содержащий последовательное выполнение операции оценки параметров помех (их частот и занимаемых полос частот), частотной режекции помех в соответствии с выбранным порогом режекции и согласованную фильтрацию исходного сигнала с последующим пороговым принятием решения по выбранному критерию о его наличии или отсутствии (Тузов Г.И. и др. Помехозащищенность радиосистем со сложными сигналами, - М.: Радио и связь, 1985, с. 211 - 212).

При реализации этого способа обнаружения блок режекторных фильтров (парциальных каналов) перекрывающих полосу частот сигнала вместе с элементами подавления помех одновременно выполняет функцию анализатора помех, определяющего количество, частоты и полосы частот действующих помех в полосе частот радиоприема. Количество режекторных фильтров в блоке определяет точность оценки параметров узкополосных помех и, следовательно, эффективность обнаружения сигнала.

Логика работы устройства, реализующего этого способ, заключается в отключении тех парциальных каналов вместе с элементами полезного сигнала, где сосредоточены узкополосные помехи.

Недостатком данного способа обнаружения является уменьшение мощности сигнала на выходе обнаружителя за счет его режекции, а также частичное разрушение структуры принимаемого сигнала, которое проявляется в дополнительном уменьшении его мощности в момент обнаружения и в ухудшении корреляционных свойств, вследствие остаточной нестабильности параметров отдельных парциальных каналов (Пестряков В.Б. и др. Шумоподобные сигналы в системах передачи информации, - М.: Сов. радио, 1973).

Так, например, если количество режекторных фильтров в блоке равно N = 10, соотношение между средней частотой сигнала f_ос и его полосой частот f_c равно f_oc/f_c= 10, а относительная дисперсия случайной взаимной задержки сигналов на выходе режекторных фильтров относительно длительности T_с исходного сигнала составляет Д(/T_c) = 10^-6, что практически реально, то это приводит к уменьшению мощности сигнала в момент его обнаружения почти в два раза (Пестряков В.Б. и др. Шумоподобные сигналы в системах передачи информации, - М.: Сов радио, 1973). Следовательно, дополнительно к энергетическим потерям за счет режекции, в два раза будет уменьшено отношение сигнал/шум на выходе согласованного фильтра, что в конечном итоге приведет к снижению помехоустойчивости обнаружения сигналов. Причем, чем больше количество режекторных фильтров, тем больше соответствующий энергетический проигрыш.

Технический результат изобретения заключается в повышении помехоустойчивости обнаружения импульсных радиосигналов на фоне узкополосных помех без разрушения структуры (формы) выходного сигнала обнаружителя.

Данный технический результат достигается за счет учета существенного различия в корреляционных функциях сигнала и узкополосной помехи, в результате решение о наличии (отсутствии) сигнала по выбранному критерию принимают с учетом дополнительной информации о помехе, полученной в опорном отсчете, предшествующем основному информационному отсчету после согласованной фильтрации.

Для чего в способе обнаружения импульсных радиосигналов на фоне узкополосных помех, включающем оценку параметров помехи (частоту и полосу частот) и согласованную фильтрацию сигнала с последующим пороговым принятием решения о его наличии или отсутствии по выбранному критерию, определяют момент времени _o взятия опорного отсчета после согласованной фильтрации в котором измеряют мгновенное значение помехи u_n(_o) и вычисляют значение коэффициента корреляции r(_o) узкополосной помехи между опорным и информационным отсчетами, на основе чего при известной амплитуде U_m выходного сигнала согласованного фильтра вычисляют мгновенное значение порога принятия решения по формуле



которое устанавливают в пороговом устройстве обнаружителя.

Таким образом, данный способ обнаружения импульсных радиосигналов в отличие от существующих аналогов и прототипа исключает необходимость режекторного вмешательства во внутреннюю структуру сигнала, что обеспечивает сохранение его формы на выходе обнаружителя, а подавление узкополосных помех и следовательно повышение помехоустойчивости обнаружения осуществляется за счет адаптивного управления порогом принятия решения о наличии (отсутствии) сигнала на основе информации о помехе, полученной в опорном отсчете. Вследствие сильной взаимной корреляции узкополосной помехи в опорном и информационном отсчетах, по измеренному мгновенному значению помехи в опорном отсчете, с высокой точностью предсказывают значение помехи в информационном отсчете и устанавливают соответствующее значение порога принятия решения по выражению (1), что и обеспечивает высокую достоверность (помехоустойчивость) обнаружения сигнала. В этом и заключается механизм повышения помехоустойчивости обнаружения импульсных радиосигналов на фоне узкополосных помех.

Фундаментальное отличие предлагаемого способа обнаружения от классического заключается в том, что решение о наличии или отсутствии сигнала и соответствующие ошибки обнаружения определяются не абсолютными, а условными (относительно опорного отсчета) плотностями вероятности помехи и смеси сигнала с помехой. Чем сильнее будет взаимная корреляция помехи между опорным и сигнальным отсчетами на выходе согласованного фильтра, тем меньшей дисперсией будут обладать условные плотности вероятности помехи и смеси сигнала с помехой и, следовательно, меньше будут соответствующие ошибки обнаружения сигнала.

Представим доказательство наличия указанного технического результата в предлагаемом способе.

Пусть обнаруживаемый радиосигнал S(t) на выходе согласованного фильтра является сигналом с известными параметрами и амплитудой V_m, а узкополосная помеха U_n(t) является нормальным стационарным процессом с нулевым математическим ожиданием, мощностью (дисперсией) P_n и коэффициентом автокорреляции r(). Если в опорном отсчете узкополосная помеха имеет значение U_n(t₁= _o), а в сигнальном отсчете U_n(t₂ = 0) и коэффициент взаимной корреляции между этими значениями равен r = r(_o), то условная плотность вероятности в данных обозначениях по сигнальному отсчету при наличии одной помехи будет иметь вид (Вентцель Е.С. Теория вероятностей, - М.: Наука, 1969, с. 191 - 1921)



При наличии сигнала, пользуясь выражением (2), можно записать условную плотность вероятности смеси сигнала с помехой



При этом условные математическое ожидание и дисперсия распределения (2) (одной помехи) будут следующими

M[U_n(t₂)/U_n(t₁)] = rU_n(t₁),

Д[U_n(t₂)/U_n(t₁)] = P_n(1-r²).

Условное математическое ожидание распределения (3) (смеси сигнала с помехой)

M[U_n(t₂)/U_n(t₁)] = rU_n(t₁) + V_m,

а условная дисперсия при этом будет определяться выражением (5).

Из выражений (2) - (6) следует, что достоверность (помехоустойчивость) обнаружения сигнала будет зависеть от его амплитуды V_m, которая характеризует смещение (разнос) плотностей вероятности помехи и смеси сигнала с помехой, а также от исходной мощности узкополосной помехи P_n и коэффициента корреляции r помехи в опорном и сигнальном отсчетах, которые характеризуют дисперсию (ширину) этих плотностей вероятности.

Чем меньше длительность сигнала по сравнению с длительностью корреляционной функции помехи, тем меньше будет интервал времени между опорным и сигнальным отсчетами, тем, следовательно, больше будет коэффициент корреляции помехи. В результате, в соответствии с выражением (5), меньше будет условная мощность узкополосной помехи и следовательно выше будет достоверность (помехоустойчивость) обнаружения сигнала.

Для количественной оценки технического результата будем считать, что осуществляется обнаружение (прием) радиоимпульса с амплитудой V_mc, длительностью T_с, частотой f_ос и шириной спектра f_c на фоне узкополосной помехи, имеющей гауссов энергетический спектр вида



где

G₀ - значение спектральной плотности мощности узкополосной помехи на ее средней частоте f_on, имеющей полосу частот f_n. Этому спектру соответствует следующая корреляционная функция (Тихонов В.И. Примеры и задачи по статистической радиотехнике, - М.: Сов. радио, 1970, с. 258)

R() = G_of_nexp[-(f_n)²]cos2f_on. (8)

Если ввести параметр = f_n/f_c, представляющий собой нормированную к полосе частот сигнала полосу частот узкополосной помехи, а частоту помехи выразить через частоту сигнала

,

то корреляционная функция помехи через параметры сигнала будет иметь следующий вид



При этом нормированная корреляционная функция (коэффициент корреляции) помехи будет равна



В выражении (11) выразим через параметры сигнала и помехи. Для любого импульсного сигнала справедливо условие

f_cT_c= K, (12)

где K - постоянный коэффициент, зависящий от формы сигнала. Момент опорного отсчета предшествует сигнальному отсчету на время, равное половине длительности выходного сигнала согласованного фильтра, в результате из (12) он будет равен



Для того, чтобы между опорным и сигнальным отсчетами корреляция помехи была максимальной необходимо, чтобы к моменту времени ^*_o укладывалось целое число периодов высокочастотного колебания коэффициента корреляции. Если это условие не выполняется, то необходимо соответствующим образом скорректировать положение точки взятия опорного отсчета. Для чего, пользуясь выражением (11), вычислим период высокочастотного колебания коэффициента корреляции



Тогда количество периодов коэффициента корреляции, которое укладывается к моменту времени ^*_o определим, пользуясь выражениями (13) и (14)



Здесь квадратные скобки означают округление результата до ближайшего целого числа.

При этом окончательное скорректированное положение момента времени опорного отсчета будет равно



Выражение (16) необходимо подставить в (11) вместо , в результате получим выражение коэффициента корреляции через параметры сигнала и узкополосной помехи



Из выражения (17) следует, что чем меньше нормированная полоса узкополосной помехи и чем меньше коэффициент K, характеризующий "компактность" выходного сигнала согласованного фильтра при заданной ширине его спектра, тем больше будет коэффициент корреляции r(_o), тем меньше будет условная мощность помехи в соответствии с выражением (5) и следовательно выше будет помехоустойчивость обнаружения сигнала.

Получим технический результат (выигрыш) в количественном выражении при следующих исходных данных: = 0,1; f_c= 2 кГц; f_oc = 500 кГц; = 0 (что соответствует совпадению средних частот сигнала и помехи); K = 1 (что выполняется для большинства радиоимпульсов, а для гауссова радиоимпульса - с большим запасом). При этом коэффициент корреляции в соответствии с выражением (17) будет равен



В результате условная мощность помехи при принятии решения о наличии (отсутствии) сигнала в соответствии с выражением (5) будет равна

P_n[1-r²(_o)] = P_n(1-0,993²) 0,014P_n.

Таким образом, при заданных параметрах сигнала и помехи в данном способе обнаружения мощность узкополосной помехи при принятии решения составляет 0,014 от исходной мощности, что эквивалентно ее ослаблению в 71 раз. А поскольку характеристики обнаружения сигнала по выбранному критерию однозначно зависят от отношения сигнал/шум, то приведенный пример свидетельствует о значительном повышении помехоустойчивости обнаружения.

Для сравнения технических результатов получим соответствующие характеристики для оценки отношения сигнал/шум в способе-прототипе, использующем при обнаружении сигнала частотную режекцию узкополосных помех.

Выразим энергетический спектр узкополосной помехи (7) через параметры сигнала, получим



При гауссовом сигнале коэффициент передачи согласованного с ним фильтра с точностью до постоянного множителя будет иметь вид



При этом квадрат коэффициента передачи согласованного фильтра будет равен



Квадрат коэффициента передачи режекторного фильтра, настроенного на частоту узкополосной помехи и включенного последовательно с согласованным фильтром имеет следующее выражение



где

f_p - полоса частот режекторного фильтра.

При этом квадрат общего коэффициента передачи устройства подавления помех будет иметь вид



Остаточную мощность узкополосной помехи на выходе устройства определим, пользуясь известной формулой



При подстановке в (23) соответствующих выражений (18) и (22) и в результате решения интеграла получим мощность узкополосной помехи на выходе устройства, определяемой первой составляющей квадрата общего коэффициента передачи



Аналогично можно получить мощность второй (компенсационной) составляющей узкополосной помехи на выходе устройства, пользуясь второй составляющей квадрата общего коэффициента передачи



При этом общая остаточная мощность узкополосной помехи на выходе устройства-прототипа будет равна

P₀ = P_n1 + P_n2.

Далее определим соответствующие сигнальные составляющие на выходе устройства.

В общем виде сигнальные составляющие с точностью до постоянного множителя можно вычислить по известной формуле



При этом амплитуда первой сигнальной составляющей с учетом первой составляющей общего коэффициента передачи (22) при амплитуде входного сигнала V_{m вх} = 1, будет равна



Амплитуда второй сигнальной составляющей с учетом второй составляющей выражения (22) будет равна



Квадрат результирующей амплитуды сигнала на выходе устройства будет равен

V²_o = (V₁ + V₂)².

При этом отношение сигнал/шум по мощности, которое однозначно определяет помехоустойчивость обнаружения сигнала с учетом (26) и (30) будет равно



Отношение сигнал/шум на входе устройства определяется очевидным соотношением



При этом коэффициент подавления узкополосной помехи, который определяет эффективность частотной режекции будет равен



При тех же исходных данных, что и в предлагаемом способе: f_c= 2 кГц; = 0,1; = 0 и полосе частот режекции f_p= 1 кГц с привлечением выражений (24) - (33) коэффициент подавления оказался равным = 15,5.. Полученный результат не зависит от G₀, так как в окончательном выражении это значение сокращается.

В предлагаемом способе, как было показано выше, коэффициент ослабления мощности помехи при принятии решения оказался равным 71, в результате выигрыш в ослаблении мощности помехи в предлагаемом способе по сравнению с прототипом составляет 71/15,5 4,6 раза.

Кроме этого в прототипе имеет место дополнительное уменьшение отношения сигнал/шум по причине остаточной нестабильности параметров отдельных парциальных каналов при обработке сигнала.

Таким образом, выигрыш в помехоустойчивости предлагаемого способа по сравнению с прототипом свидетельствует о наличии причинно-следственной связи между совокупностью существенных признаков и достигаемым техническим результатом в предлагаемом способе.

На чертеже представлена структурная электрическая схема устройства, реализующая предлагаемый способ обнаружения сигналов.

Устройство содержит согласованный фильтр 1, анализатор помех 2, управляемое пороговое устройство 3, решающее устройство 4, вычислитель 5 опорного отсчета _o, вычислитель 6 коэффициента корреляции помехи r(_o), измеритель 7 значения помехи в опорном отсчете U_n(_o) и вычислитель 8 порога П(_o).

Устройство работает следующим образом.

Импульсный радиосигнал в смеси с узкополосной помехой поступает на объединенные входы согласованного фильтра 1 и анализатора помех 2. В анализаторе помех 2 формируется оценка частоты и занимаемой полосы частот узкополосной помехи. Результат оценки частоты узкополосной помехи с выхода анализатора помех 2 поступает на вычислитель 5 момента опорного отсчета _o, который определяют в соответствии с выражением (16), а результат оценки полосы частот помехи поступает на первый вход вычислителя 6 коэффициента корреляции помехи r(_o), который определяют в соответствии с выражением (17), на второй вход которого поступает сигнал момента опорного отсчета _o с выхода вычислителя 5. Одновременно сигнал момента опорного отсчета с выхода вычислителя 5 поступает на первый (разрешающий) вход измерителя 7 помехи в опорном отсчете, на второй вход которого поступает узкополосная помеха с выхода согласованного фильтра 1. С выхода измерителя 7 значение помехи U_n(_o) в момент _o поступает на первый вход вычислителя 8 значения порога П(_o), на второй вход которого поступает значение коэффициента корреляции r(_o) с выхода вычислителя 6. При этом значение порога П(_o) определяют в соответствии с выражением (1). С выхода вычислителя (8) значение порога П(_o) поступает на первый (управляющий) вход порогового устройства 3, на второй информационный вход которого поступает сигнал с выхода согласованного фильтра 1. Сигнал с выхода порогового устройства 3 поступает на решающее устройство 4, формирующее решение о наличии или отсутствии сигнала на входе устройства.

При одновременном наличии нескольких узкополосных помех в полосе частот сигнала, момент времени опорного отсчета и результирующий коэффициент корреляции, а следовательно, и текущее значение порога будут определяться соответствующей композицией корреляционных функций узкополосных помех с учетом их мощностей, средних частот и занимаемых полос частот. Но при этом сущность данного способа обнаружения сигналов и его существенные признаки, а также устройство, реализующее данный способ остаются неизменными и такими, которые изложены ранее в данном описании.

Из описания следует, что в состав устройства реализации данного способа обнаружения сигналов входят следующие блоки: согласованный фильтр 1, пороговое устройство 3, решающее устройство 4, а также измеритель 7 напряжения помехи в опорном отсчете, которые подробно описаны с конструктивными признаками их технической реализации (Шумоподобные сигналы в системах передачи информации. /Под ред. Пестрякова В. Б. М.: Сов. радио, 1973. Техническое решение анализатора помех 2 представлено. /под ред. Тузова Г.И. - Помехозащищенность радиосистем со сложными сигналами. М.: Радио и связь, 1985, с. 212).

Вычислительные операции в данном способе, такие как вычисление момента времени опорного отсчета, вычисление коэффициента корреляции узкополосной помехи и вычисление текущего значения порога, которые соответственно представлены выражениями (16), (17) и (1) являются элементарными в технической реализации и могут быть реализованы в едином специально запрограммированном вычислителе.

Таким образом, предлагаемый способ обнаружения сигналов не имеет принципиальных ограничений для его технической реализации и может быть реализован с применением известных функциональных устройств без каких-либо догадок и предположений. Кроме этого, предлагаемый способ без каких-либо ограничений может быть совмещен с другими известными способами обнаружения импульсных радиосигналов на фоне узкополосных помех для их дополнительного ослабления непосредственно перед принятием решения о наличии (отсутствии) сигнала.