способ обнаружения периодических импульсных последовательностей и оценки их периода

Формула изобретения

Способ обнаружения периодических импульсных последовательностей и оценки их периода, включающий измерение временных интервалов между моментами прихода смежных импульсов входной реализации потока, накопление первичной выборки (массива) из TV значений временных интервалов, отличающийся тем, что по значениям первичной выборки временных интервалов вычисляют первую, вторую,..., (N+1)-ю вторичные выборки значений временных интервалов между моментом прихода первого, второго,..., (N+1)-го опорного импульса соответственно до моментов прихода всех других импульсов реализации входного потока, в рамках отдельных вторичных выборок временных интервалов вычисляют статистические оценки наибольшего общего делителя (НОД) возможных сочетаний из двух и более временных интервалов, формируют частные ряды распределения оценок НОД для отдельных вторичных выборок временных интервалов, объединяют частные ряды распределения оценок НОД, в которых выявлено группирование их значений, принимают решение об обнаружении периодических импульсных последовательностей по фактам группирования оценок НОД в объединенном ряду распределения их значений, а за оценки периодов обнаруженных импульсных последовательностей принимают средние значения выявленных групп оценок НОД.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной и вычислительной технике и может быть использовано в устройствах совместного обнаружения и оценки параметров случайных потоков импульсов с дискретным временем, наблюдаемых в трактах последетекторной обработки сигналов при неизвестном периоде их следования, например при радиоразведке источников радиоизлучения с программной перестройкой рабочей частоты (ППРЧ), а также при контроле эфира радиочастотного диапазона в радиоастрономии, радиофизике, радиосвязи и радиолокации.

Известен способ обнаружения периодической последовательности импульсных сигналов, включающий запись с помощью тонкого электронного луча реализации потока сигналов на аналоговом носителе (магнитном барабане, потенциалоскопе), скорость вращения которого (барабана, луча) согласована во времени с отдельными реализациями потока сигналов, поступающего с выхода приемного устройства, накопление на регистрирующей поверхности аналогового накопителя сигналов и принятие решения об обнаружении периодической последовательности импульсных сигналов по превышению накопленным сигналом определенного порога [1. Финкельштейн М.И. Основы радиолокации. - М.: Сов. радио, 1973, с.254].

Отметим, что в число аналоговых накопителей импульсных сигналов входит и большая группа накопителей импульсов на линиях задержки с положительной обратной связью [2. Лезин Ю.С. Оптимальные фильтры и накопители импульсных сигналов. - М.: Сов. радио, 1969].

Недостатком известного способа, основанного на аналоговом накоплении сигналов, является ограниченное число эффективно обрабатываемых импульсов и невозможность обнаружения периодической импульсной последовательности с неизвестным периодом следования.

Известен также способ обнаружения периодической последовательности импульсных сигналов, включающий двойное (по времени и амплитуде) дискретное преобразование формы входного сигнала, задержку преобразованного потока сигналов в виде последовательности посылок “0” и “1” на N_з 2 дискретных величин ₃(n)=nТ, n=0, 1, 2,..., N_з-1 и проверку условия совпадения импульсов прямой (n=0) и N_з-1 задержанных последовательностей “0” и “1” во времени, решение об обнаружении периодической последовательности импульсных сигналов принимают по факту совпадения к единиц (“1”) из N_з последовательностей (2 к N_з) [1. Финкельштейн М.И. Основы радиолокации. - М.: Сов. Радио, 1973, с.257].

Способ, основанный на методе совпадения импульсных сигналов, не имеет ограничений по числу эффективно обрабатываемых импульсов.

Недостатком известного способа обнаружения периодической последовательности импульсов, основанного на методе совпадения, является невозможность обнаружения периодической импульсной последовательности с неизвестным периодом следования.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному способу обнаружения периодических импульсных последовательностей является способ обнаружения периодических импульсных последовательностей и оценки их периода, реализованный в устройстве [3. Патент РФ №2003988, МПК G 01 R 23/10, 1993] и включающий измерение временных интервалов (ВИ) между смежными импульсами входной реализации потока, накопление выборки (массива) из N значений ВИ, определение максимального значения ВИ (t_i-1,i) люкс в выборке, модульное преобразование ВИ в форме:

подсчет числа N_j одинаковых значений вычетов t_ij для каждого значения пробного периода T_j (модуля преобразования) и проведение пороговых испытаний N _j><N_пop для обнаружения периодической импульсной последовательности с выдачей оценки ее периода в виде значения T_j, при котором был превышен порог N _пop.

Недостатками известного способа являются большие временные затраты на обнаружение прореженных случайным образом периодических импульсных последовательностей и невысокая точность оценки их периода. Как следует из (1) большое время обнаружения обусловлено неизбежными ошибками (“промахами”) в выборе начального значения T_jнач пробного периода из-за возможных случаев, когда величина максимального ВИ (t_i-1,i)_макс превышает истинный период прореженной импульсной последовательности (см. на фиг.2 интервал между вторым и третьим импульсами ₂₃). Невысокая точность оценки периода связана с использованием в известном способе метода минимальных модулей, который не является оптимальным при обработке ВИ для реальных нормально распределенных ошибок наблюдения моментов прихода импульсов периодических последовательностей [4. Гильбо Е.П., Челпанов И.Б. Обработка сигналов на основе упорядоченного выбора. - М.: Сов. радио, 1975, с.68]. Для нормальных ошибок наблюдения ВИ оптимальным является метод наименьших квадратов [5. Линник Ю.В. Метод наименьших квадратов и основы теории обработки наблюдения. - М.: Физматгиз, 1962, с.123].

Задачей данного изобретения является сокращение времени обнаружения прореженных случайным образом периодических импульсных последовательностей и повышение точности оценки их периода при наличии мешающих импульсов.

Поставленная задача решается за счет того, что в известном способе, включающем измерение ВИ между моментами прихода смежных импульсов входной реализации потока, накопление первичной выборки (массива) из N значений ВИ, по значениям первичной выборки ВИ вычисляют первую, вторую,..., (N+1)-ю вторичные выборки значений ВИ между моментом прихода первого, второго,..., (N+1)-го (опорного) импульса соответственно до моментов прихода всех других импульсов реализации входного потока, в рамках отдельных вторичных выборок ВИ вычисляют статистические оценки наибольшего общего делителя (НОД) для возможных сочетаний из двух и более ВИ, формируют частные ряды распределения оценок НОД для отдельных вторичных выборок ВИ, объединяют частные ряды распределения оценок НОД, в которых выявлено группирование их значений, принимают решение об обнаружении периодических импульсных последовательностей по фактам группирования оценок НОД в объединенном ряду распределения их значений, а за оценки периодов обнаруженных импульсных последовательностей принимают средние значения выявленных групп оценок НОД.

За статистическую оценку НОД значений ВИ между импульсами входного потока принимают максимальный коэффициент прямой регрессии, проходящей через начало прямоугольных координат с наименьшей суммой квадратов уклонений от узловых точек полурешетки ( ,m], где - ось ординат непрерывных значений ВИ; m=1, 2,... - ось абсцисс целочисленных кратностей ВИ в единицах неизвестного периода обнаруживаемой импульсной последовательности [6. Анишин А.С., Батурин Ю.О. Журнал “Радиотехника”, 2002, №10, с.73-77].

Факт группирования оценок НОД в ряду распределения их значений выявляют по превышению заданного порога количеством оценок НОД, попадающих в заданный по величине интервал идентичности (близости) их значений.

В предложенном способе задача совместного обнаружения и оценки периода импульсной последовательности решена за счет учета различий в свойствах случайных потоков импульсов (событий) с непрерывным и дискретным временем.

Дискретная шкала моментов t _n=nT, n=1, 2,..., возможного появления истинных импульсов периодической последовательности обнаруживается по результатам многократных статистических оценок НОД для различных сочетаний из двух и более ВИ между импульсами входной реализации потока. Благодаря тому, что вероятность аномальных ошибок и условная дисперсия оценок НОД, полученных по сочетаниям дискретных ВИ, образованных импульсами периодической последовательности, существенно меньше аналогичных показателей качества оценок НОД по сочетаниям, включающим случайные ВИ с непрерывным распределением, правило принятия решения об обнаружении периодической импульсной последовательности основано на выявлении фактов группирования оценок НОД в объединенном ряду распределения их значений. При этом за оценки периодов обнаруженных периодических импульсных последовательностей принимаются средние значения выявленных групп оценок НОД.

Более подробно существо предложенного способа совместного обнаружения периодической импульсной последовательности и оценки их периода заключается в следующем.

Пусть имеется реализация случайного потока стандартных по форме импульсов (фиг, 2), включающая некоторую часть импульсов №=2, 3, 5, 6, 8 прореженной случайным образом периодической последовательности и мешающие импульсы №=1, 4, 7 случайного потока с непрерывным временем.

Вначале сделаем предположение, что ошибки наблюдения моментов прихода импульсов периодической последовательности равны нулю.

Запишем первичную выборку из N=7 ВИ между смежными импульсами входного потока в нулевую строку таблицы, приведенной на фиг.5. По значениям ВИ первичной выборки вычислим первую, вторую,.... восьмую вторичные выборки ВИ, отсчитываемых в двух направлениях (в “прошлое” и в “будущее”) от момента появления первого, второго, и т.д. (опорных) импульсов соответственно до моментов появления каждого импульса входной реализации случайного потока. Значения ВИ первой, второй и т.д. вторичных выборок запишем в соответствующие строки таблицы. Индексы i и при _ij означают номера импульсов, которыми определяются соответствующие ВИ первичной и вторичных выборок.

Анализ содержимого таблицы позволяет сделать следующие выводы. Временные интервалы, записанные в первой, четвертой и седьмой строке таблицы, являются непрерывными случайными величинами, так как они образованы парами импульсов, из которых как минимум один (опорный) является импульсом случайного потока с непрерывным временем. В других строках таблицы находятся случайные ВИ как с непрерывным, так и с дискретным распределением. В частности, случайные ВИ с дискретным распределением в таблице помечены штриховкой.

В рамках каждой вторичной выборки ВИ организуем перебор возможных сочетаний из двух и более ВИ и для каждого сочетания ВИ с использованием оператора статистической оценки НОД определим наиболее правдоподобную оценку НОД.

Рассмотрим особенности (характер) распределения оценок НОД, полученных в рамках отдельных вторичных выборок ВИ на подмножествах различных сочетаний их ВИ. Известно [6], что распределение оценок НОД с помощью оператора НОД двух и более дискретных случайных величин со структурой _к=m_кT, к=1, 2,..., N; где m_к - случайные натуральные числа (так называемые кратности ВИ в единицах 7), является дискретным со следующими возможными значениями оценок: НОД= Т, =1, 2,... При этом вероятность появления оценки НОД=Т с увеличением размера выборки N 2 возрастает по закону

и при значениях N 2 многократно превышает сумму вероятностей появления остальных значений оценок НОД=2Т, 3Т....

Напротив, при обработке реализации случайных величин с непрерывным либо смешанным распределением оператор статистической оценки НОД выдает оценки НОД с непрерывным распределением.

С учетом отмеченных избирательных свойств оператора (статистики) НОД при обработке дискретных случайных величин возможны совпадения оценок, а при обработке ВИ, среди которых имеется хотя бы один случайный ВИ с непрерывным распределением, такие совпадения оценок теоретически исключены.

Очевидно, что с учетом ошибок наблюдения дискретных ВИ отмеченное свойство совпадения оценок НОД не исчезает бесследно, а трансформируется в свойство группирования этих оценок в окрестностях Т, 2Т, 3Т,.... Зоной наиболее вероятного группирования оценок НОД в соответствии с (2) является окрестность искомого параметра Т. В качестве иллюстрации на фиг.3 и 4 приведены экспериментальные распределения оценок HÔД/Т при отсутствии ( =0) и наличии ( =0,05Т) ошибок наблюдения N=3 дискретных случайных ВИ, распределенных по геометрическому закону с параметром р=0,125 соответственно, полученные методом имитационного моделирования оператора статистической оценки НОД.

В рамках отдельных вторичных выборок ВИ формируют частные ряды распределения оценок НОД различных сочетаний из двух и более ВИ. Факт группирования оценок НОД в j-м ( ) частном ряду распределения выявляют по превышению заданного порога N₀₁(N₀₁<N) количеством оценок, попадающих в определенный по величине интервал T₁ близости (идентичности) их значений.

Частные ряды распределения оценок НОД, в которых выявлено группирование их значений, суммируют в объединенный ряд распределения. Последний подвергают заключительному испытанию на выявление фактов группирования оценок НОД со своими значениями параметров правила принятия решений: N₀₂>N и T₂= T₁. При выявлении группирования оценок НОД в объединенном ряду принимают решение об обнаружении периодической импульсной последовательности с выдачей оценки ее периода, равной среднему значению оценок НОД в группе.

Таким образом, введение в заявленный способ оператора статистической оценки НОД значений ВИ, реализованного по методу наименьших квадратов, позволило сократить время (за счет повышения достоверности) обнаружения прореженных периодических импульсных последовательностей и повысить точность оценки их периода.

Предложенный способ является новым, поскольку из общепринятых сведений не известен способ совместного обнаружения периодической импульсной последовательности и оценки ее периода в условиях, характеризующихся случайными пропусками импульсов при наличии мешающих импульсов, включающий измерение и накопление N выборочных ВИ между смежными импульсами входного потока, вычисление N+1 вторичных выборок ВИ, отсчитываемых от каждого (опорного) импульса до других импульсов зафиксированной реализации потока, статистическая оценка НОД значений ВИ в различных сочетаниях, формирование объединенного ряда распределения оценок НОД и принятие положительного решения об обнаружении периодической импульсной последовательности по фактам группирования оценок НОД в объединенном ряду распределения их значений, при этом за оценку периода обнаруженной последовательности импульсов принимают среднее значение выявленной группы оценок НОД.

Предложенный способ имеет изобретательский уровень, поскольку из опубликованных научных данных и известных технических решений явным образом не следует, что заявленная последовательность операций по обработке реализации потока импульсных сигналов с использованием оператора НОД позволит обнаруживать прореженные случайным образом периодические импульсные последовательности с оценкой их периода.

Предложенный способ промышленно применим, так как для его технической реализации могут быть использованы типовые логические и структурные элементы дискретной и вычислительной техники.

На фиг.1 приведена структурная схема возможного варианта технической реализации способа, на фиг.2 реализация входного потока (t) в виде прореженной случайным образом периодической последовательности импульсов (№2, 3, 5, 6, 8) в присутствии мешающих импульсов (№1, 4, 7), знаком на временной оси t указаны моменты дискретного времени t _n=nT, n=1, 2,..., на фиг.3 приведена характеристика оператора НОД в виде экспериментального распределения оценок НОД (параметра Т) при отсутствии ошибок наблюдения дискретных случайных ВИ, на фиг.4 - характеристика оператора НОД при наличии ошибок наблюдения дискретных случайных ВИ, на фиг.5 - таблица первичной (строка №0) и вторичных (строки №=1...8) выборок ВИ, образованных при использовании в качестве опорного каждого импульса входной реализации потока, на фиг.6 приведен экспериментальный частный ряд распределения оценок НОД, в котором выявлено их группирование, на фиг.7 - экспериментальный частный ряд распределения оценок НОД, в котором отсутствует их группирование, на фиг.8 - объединенный ряд распределения оценок НОД, в котором выявлено их группирование.

Устройство, реализующее заявленный способ (фиг.1), содержит измеритель ВИ 1, _i,i+1, , запоминающее устройство (ЗУ) 2 на N двоичных чисел, вычислитель 3 вторичных выборок ВИ, группу 4 из N управляемых многоразрядных ключей, N-разрядный двоичный счетчик 5, вычислитель 6 оценок НОД различных сочетаний из двух и более ВИ _ij, , i j и анализатор 7 распределения оценок НОД, при этом вход измерителя ВИ 1, объединенный со входом записи ЗУ 2, является входом последовательности импульсов (фиг.2), выход измерителя ВИ 1 соединен с информационным входом ЗУ 2, N многоразрядных выходов которого соединены с соответствующими входами вычислителя 3 вторичных выборок ВИ, N выходов которого соединены с входами соответствующих ключей группы 4, выход старшего разряда двоичного счетчика 5 соединен с управляющим входом вычислителя 3, а разрядные выходы счетчика 5 - с управляющими входами соответствующих ключей группы 4, выходы которых соединены с входами вычислителя 6 оценок НОД, выход которого соединен с информационным входом анализатора 7 распределения оценок НОД. Анализатор 7 имеет вход 1 задания дискретного интервала Т распределения оценок НОД (интервала их идентичности) и входы 2 и 3 задания двух порогов N_{0 1} и N_{0 2} в виде числа оценок НОД на интервале T для выявлении фактов группирования оценок НОД в частных и объединенном рядах распределения соответственно, а также информационные выходы (вых. 1 и вых. 2) факта обнаружения и значения оценки периода обнаруженной периодической импульсной последовательности соответственно.

Устройство, реализующее данный способ, работает следующим образом. Измеритель ВИ 1 определяет значения N ВИ между моментами прихода смежных импульсов входного потока, которые накапливаются в ЗУ 2 (см. нулевую строку таблицы на фиг.5). Затем вычислитель 3 по нулевому состоянию счетчика 5 вычисляет первую вторичную выборку из N ВИ (строка №1 таблицы на фиг.5) при использовании в качестве точки отсчета момента появления первого (опорного) импульса исходной реализации потока.

В рамках первой вторичной выборки ВИ с помощью группы 4 управляемых ключей и N-разрядного двоичного счетчика 5, проходящего 2^N собственных состояний, возможные сочетания из двух и более отличных от нуля значений ВИ поступают в вычислитель 6 статистических оценок НОД. Значения оценок НОД с выхода вычислителя 6 поступают на вход анализатора 7, осуществляющего их накопление в рамках первого частного ряда распределения (гистограммы) с интервальным шагом Т₁=0,001T. По факту превышения порога N₀₁ количеством оценок НОД на произвольном интервале Т частного ряда распределения выявляют группирование оценок НОД (фиг.6) либо его отсутствие (фиг.7).

При выявлении группирования оценок НОД в частном ряду (фиг.6) данный ряд распределения суммируется в объединенный ряд (фиг.8), в противном случае частный ряд распределения оценок НОД (фиг.7) стирается. В дальнейшем вычисляется вторая вторичная выборка ВИ (строка №2 таблицы) и работа устройства повторяется.

После окончания обработки (N+1)-й вторичной выборки ВИ по факту превышения порога N₀₂ количеством оценок НОД на произвольном интервале T₂=0,001T объединенного ряда распределения (фиг.8) принимают решение об обнаружении периодической импульсной последовательности (вых. 1 анализатора 7) и за оценку периода обнаруженной периодической импульсной последовательности принимают среднее значение оценок НОД в выявленной группе (вых. 2 анализатора 7).

Работа устройства, реализующего заявленный способ, показана на примере обработки реализации входного потока импульсов (фиг.2), содержащей импульсы одной прореженной периодической последовательности. Заявленный способ позволяет обнаруживать две и более прореженные периодические импульсные последовательности с оценкой их периода.

Измеритель 1 серии из N ВИ может быть построен на основе известного измерителя ВИ [Мирский Г.Я. Радиоэлектронные измерения. - М.: Энергия, 1975, с.175]. Запоминающее устройство 2 может быть выполнено на многоразрядном регистре сдвига на N двоичных чисел. Вычислитель 3 является сумматором двоичных чисел и может быть выполнен на основе, например, модулей К 555 ИМ6 [Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы. Справочник. - М.: Радио и связь, 1987]. Двоичный счетчик 5 и группа 4 многоразрядных ключей являются типовыми структурными элементами вычислительной техники. Вычислитель 6 статистических оценок НОД может быть реализован на микропроцессоре по известному алгоритму, изложенному в [6]. В качестве анализатора 7 распределения оценок НОД могут быть использованы устройства оценки закона распределения случайных величин, дополненные простыми средствами автоматического анализа распределения оценок НОД [Гладкий B.C. Вероятностные вычислительные модели. - М.: Наука, 1973, с.143].

Таким образом, в предложенном способе вместо накопления количества одинаковых вычетов в способе-прототипе осуществляют накопление количества близких по значениям оценок НОД, полученных на множестве возможных сочетаний ВИ между импульсами входной реализации потока.

Заявленный способ обладает следующими преимуществами по сравнению с прототипом:

- характеризуется повышенной достоверностью обнаружения прореженных случайным образом периодических импульсных последовательностей за счет введения новой процедуры обработки ВИ в виде статистики НОД их значений, что позволило расширить область его применения из-за возможности совместного обнаружения и оценки неэнергетических параметров сигналов с ППРЧ при одночастотном радионаблюдении в присутствии мешающих сигналов;

- имеет повышенную точность и надежность оценки периода Т за счет статистической обработки ВИ по методу наименьших квадратов и введения процедуры накопления оценок, снижающей уровень аномальных ошибок;

- не использует априорную информацию об области поиска значений периода обнаруживаемых импульсных последовательностей.