Двухпороговый обнаружитель сигналов панорамного приемника последовательного анализа

Двухпороговый обнаружитель сигналов панорамного приемника последовательного анализа

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в панорамных приемниках станций радиопомех, радиопеленгаторах (системах радиоконтроля) и аналогичных устройствах для обнаружения наземных источников радиоизлучения (ИРИ), функционирующих в условиях шума неизвестной интенсивности.

Известен оптимальный обнаружитель, содержащий последовательно соединенные приемную антенну, линейный тракт приемника, согласованный фильтр, пороговое устройство [см. Мартынов В.А., Селихов Ю.И. Панорамные приемники и анализаторы спектра / Под ред. Г.Д. Заварина. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Советское радио, 1980. - 352 с., ил., рис.2.6., с.46]. Недостатком обнаружителя является большое число ложных тревог и неадекватность отображения радиоэлектронной обстановки в анализируемой полосе частот, а также увеличение времени анализа.

Известен также обнаружитель, включающий последовательно соединенные приемную антенну, линейный тракт приемника, квадратичный детектор, интегратор и двухпороговое решающее устройство [см. В.В. Цветнов, В.П. Демин, А.И. Куприянов. Радиоэлектронная борьба: радиомаскировка и помехозащита: учебное пособие. - М.: Изд-во МАИ, 1999. - 240 с.: ил., с.13]. Существенным недостатком обнаружителя является увеличение времени обнаружения сигнала.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является обнаружитель [В.Г. Репин, Г.П. Тартаковский. Статистический синтез при априорной неопределенности и адаптация информационных систем. - М.: Сов. радио, 1977, с.432], содержащий приемную антенну, линейный приемный тракт, первый и второй квадратурные фазовые детекторы, генератор опорной частоты, фазовращатель на 90°, первый и второй интеграторы, первый и второй квадратичные детекторы, сумматор и пороговое устройство, при этом соответствующие квадратурные фазовые детекторы, интеграторы и квадратичные детекторы соединены последовательно, к первому входу линейного приемного тракта подключена приемная антенна, первый выход линейного приемного тракта соединен с соответствующим входом первого квадратурного фазового детектора, а второй выход - с входом второго квадратурного фазового детектора, первый выход генератора опорной частоты соединен со вторым входом первого квадратурного фазового детектора, а второй выход соединен через фазовращатель со вторым входом второго квадратурного фазового детектора, первый выход первого квадратичного детектора соединен с первым входом сумматора, а первый выход второго квадратичного детектора - со вторым входом сумматора, выход сумматора подключен к входу порогового устройства, выход которого является выходом обнаружителя. Существенным недостатком обнаружителя является то, что фиксация порога обнаружения в условиях неизвестной интенсивности шума приводит к уменьшению эффективности обнаружения сигнала ИРИ вследствие увеличения числа ложных тревог, что приводит к увеличению времени анализа и неадекватности вскрытия радиоэлектронной обстановки (РЭО) при априорной неопределенности загруженности источниками радиоизлучений контролируемой полосы частот и требует производить количественную оценку дисперсии шума с целью различения сигнала и шума в канале обнаружения.

Техническим результатом изобретения является сокращение времени обзора анализируемой полосы частот панорамным приемником последовательного анализа при заданной достоверности вскрытия РЭО.

Технический результат достигается тем, что в обнаружитель, содержащий приемную антенну, линейный приемный тракт, первый и второй квадратурные фазовые детекторы, генератор опорной частоты, фазовращатель на 90°, первый и второй интеграторы, первый и второй квадратичные детекторы, сумматор и пороговое устройство, при этом соответствующие квадратурные фазовые детекторы, интеграторы и квадратичные детекторы соединены последовательно, к первому входу линейного приемного тракта подключена приемная антенна, выход линейного приемного тракта соединен с объединенными первыми входами первого и второго квадратурного фазового детектора, первый выход генератора опорной частоты соединен со вторым входом первого квадратурного фазового детектора, а второй выход соединен через фазовращатель со вторым входом второго квадратурного фазового детектора, первый выход первого квадратичного детектора соединен с первым входом сумматора, а первый выход второго квадратичного детектора - со вторым входом сумматора, выход порогового устройства является выходом устройства, дополнительно введены последовательно соединенные третий квадратичный детектор и третий интегратор, блок вычисления коэффициента К увеличения времени анализа одного элемента разрешения по формуле:

где F₀ - вероятность ложной тревоги;

P₀(q₀) - вероятность обнаружения;

- пороговое отношение сигнал/шум на входе приемника,

блок формирования первого и второго порогов, первый, второй и третий ключ, первый и второй компаратор, первый и второй накопитель, первый и второй элемент ИЛИ, измеритель отношения мощностей сигнал/шум, вычитающие устройство, причем вход третьего квадратичного детектора соединен с выходом линейного приемного тракта, выход третьего интегратора соединен с объединенными первым входом второго ключа, третьим входом измерителя отношения мощностей сигнал шум и вторым входом второго элемента ИЛИ, первый выход первого компаратора соединен со вторым входом первого ключа, а второй выход - со вторым входом второго ключа, первый вход первого компаратора соединен с выходом измерителя отношения мощностей сигнал/шум, первый вход которого соединен со вторым выходом второго квадратичного детектора, второй вход соединен со вторым выходом первого квадратичного детектора, выходы первого и второго ключа соединены, соответственно, с первыми входами первого и второго накопителей, а их вторые входы соединены, соответственно, с первым и вторым выходом блока вычисления коэффициента К увеличения времени анализа одного элемента разрешения, выходы первого и второго накопителей соединены, соответственно, с первыми входами первого и второго элементов ИЛИ, второй вход первого элемента ИЛИ соединен с первым выходом сумматора, второй выход которого соединен с первым входом первого ключа, выход первого элемента ИЛИ соединен с объединенными первым входом порогового устройства, первым входом второго компаратора и с первым входом вычитающего устройства, выход второго элемента ИЛИ соединен со вторым входом вычитающего устройства, первый выход вычитающего устройства соединен со вторым входом второго компаратора, а второй выход - со вторым входом линейного приемного тракта, выход второго компаратора соединен с первым входом третьего ключа, второй и третий входы которого соединены, соответственно, с первым и вторым выходами блока формирования первого и второго порогов, выход третьего ключа соединен со вторым входом порогового устройства.

На фиг.1 показана структурная схема двухпорогового обнаружителя сигналов панорамного приемника последовательного анализа.

Двухпороговый обнаружитель сигналов панорамного приемника последовательного анализа содержит приемную антенну 1, линейный приемный тракт 2, первый и второй квадратурные фазовые детекторы 3.1 и 3.2, генератор опорной частоты 4, фазовращатель на 90° 5, первый и второй интеграторы 6.1 и 6.2, первый и второй квадратичные детекторы 7.1 и 7.2, сумматор 8 и пороговое устройство 17, третий квадратичный детектор 7.3 и третий интегратор 6.3, блок вычисления коэффициента К 14, блок формирования первого и второго порогов 16, первый, второй и третий ключи 9.1, 9.2 и 9.3, первый и второй компараторы 10.1 и 10.2, причем значение порога в компараторе 10.1 фиксированное, устанавливаемое по пороговому отношению сигнал/шум , соответствующее уровню чувствительности панорамного приемника, первый и второй накопители 11.1 и 11.2, первый и второй элементы ИЛИ 13.1 и 13.2, измеритель отношения мощностей сигнал/шум 12, вычитающие устройство 15.

Измеритель 12 отношения мощностей сигнал/помеха (см. фиг.2) содержит первый и второй каналы последовательно соединенного фильтра высокой частоты 12.1 и квадратичного детектора 12.2, сумматор 12.3 и делитель 12.4.

Принцип функционирования двухпорогового обнаружителя сигналов панорамного приемника последовательного анализа заключается в следующем.

Панорамный приемник последовательного анализа характеризуется пороговым значением отношения мощностей сигнал/шум на входе канала обнаружения (элемента разрешения с полосой частот ΔF₀) , которое для обнаружителей с постоянным уровнем ложной тревоги F₀ определяет требуемую вероятность обнаружения P₀(q₀) сигнала в элементе разрешения.

Это значение порогового отношения сигнал/шум , соответствующее уровню чувствительности панорамного приемника зафиксировано в компараторе 9.1.

На вход линейного приемного тракта 2 с выхода приемной антенны 1 поступает сигнал со случайной амплитудой и начальной фазой в шуме с неизвестной интенсивностью. С выхода линейного приемного тракта 2 (элемента разрешения по частоте, определяемого полосой пропускания фильтра промежуточной частоты) аддитивная смесь сигнала и шума поступает на соответствующие объединенные входы квадратурных фазовых детекторов 3.1 и 3.2, где осуществляется их перемножение с известным сигналом, поступающим с генератора опорной частоты 4 на соответствующие входы квадратурного фазового детектора 3.1 и через фазовращатель 5 на 90° - на квадратурный фазовый детектор 3.2. Далее перемноженные сигналы поступают на входы интеграторов 6.1 и 6.2, где осуществляется накопление сигнала за время анализа T_a. С выходов интеграторов 6.1 и 6.2 квадратурные сигналы поступают на соответствующие входы квадратичных детекторов 7.1 и 7.2, где осуществляется выделение огибающих сигнала, которые поступают на соответствующие входы сумматора 8. С первого и второго выходов сумматора 8 сигнал подается на соответствующие входы первого ключа 9.1 и первого элемента ИЛИ 13.1.

С выхода линейного приемного тракта 2 аддитивная смесь сигнала и шума поступает также на квадратичный детектор 7.3, где осуществляется выделение огибающей смеси сигнала и шума, которая далее подается на вход интегратора 6.3, в котором осуществляется накопление аддитивной смеси сигнала и шума за время анализа T_a (см., например, Куликов Е.И. Методы измерения случайных процессов. М.: Наука, 1985). Далее совокупный сигнал с выхода интегратора 6.3 поступает на соответствующие объединенные входы второго ключа 9.2, измерителя отношения сигнал/шум 12 и второго элемента ИЛИ 13.2. С помощью вычитающего устройства 15 осуществляется оценка дисперсии шума σ², по результатам которой осуществляется ШАРУ по второму входу линейного приемного тракта 2, а также устанавливается пороговый уровень в компараторе 10.2 по второму входу. Измеритель отношения мощностей сигнал/шум 12 осуществляет текущее измерение отношения сигнал/шум в просматриваемых элементах разрешения, по результатам которого с помощью компаратора 10.1, ключей 9.1 и.9.2 осуществляется подключение/отключение накопителей 11.1 и 11.2.

Возможны две ситуации обнаружения сигнала.

1. Обнаружение сигналов с уровнем . При наличии сигнала на входе квадратурного канала обнаружения автоматически, по сигналу управления с выхода второго компаратора 10.2, устанавливается уровень порога обнаружителя C₁, определяемый вероятностью ложной тревоги F₀₁, соответствующей пороговому отношению сигнал/шум , при котором вероятность обнаружения сигнала соответствует требуемому значению. При этом ключи 9.1 и 9.2 отключают соответствующие накопители 11.1 и.11.2.

Установка порога С₂ осуществляется по результатам сравнения (компаратор 10.2) уровня сигнала (выход первого элемента ИЛИ 13.1) и дисперсии шума (выход вычитающего устройства 15). Если уровень сигнала меньше уровня дисперсии шума, то устанавливается уровень порога С₂ обнаружителя для вероятности ложной тревоги F₀₂, соответствующей требуемому значению достоверности вскрытия РЭО с учетом прогнозируемого значения нижней границы коэффициента загруженности контролируемой полосы частот.

2. Обнаружение сигналов с уровнем . При этом подключаются с помощью ключей 9.1 и 9.2 (по результатам текущей оценки отношения мощностей сигнал/шум в блоке 12 и управляющим сигналам с первого и второго выходов компаратора 10.1) накопители 11.1 и 11.2, обеспечивающие повышение отношения мощностей сигнал/шум на выходе канала обнаружения за счет увеличения времени анализа элемента разрешения в К раз. При этом К определяется в соответствии с выражением

где F₀ - заданная вероятность ложной тревоги;

P₀(q₀) - требуемая вероятность обнаружения сигнала в элементе разрешения;

- пороговое значение отношения мощности сигнал/шум на входе канала обнаружения (элемента разрешения), определяемое чувствительностью панорамного приемника.

При гипотезе H₀ (отсутствие сигнала) положение ключа 9.3 находится в состоянии, при котором подключен уровень порога C₂(F₀₂) co второго выхода блока 16. Этим самым достигается ограничение уровня ложных тревог F₀₂, обеспечивающего требуемую достоверность вскрытия РЭО. При принятии решения d₀(H₀) в пороговом устройстве 17 на его выходе появляется сигнал логический «0», по которому управляющее устройство панорамного приемника (на фиг.1 не показано) формирует воздействие на перестраиваемый по частоте гетеродин, чтобы не останавливать процесс перестройки с целью контроля последующих элементов разрешения (каналов обнаружения) и сокращения времени на вскрытия РЭО.

При гипотезе H₁, когда на выходе сумматора 8 присутствует обнаруживаемый сигнал с относительным уровнем , который через элемент ИЛИ 13.1 подается на первый вход второго компаратора 10.2, а на выходе вычитающего устройства 15 присутствует среднее значение дисперсии шума σ², которое по второму входу определяет порог срабатывания второго компаратора 10.2. При этом на выходе компаратора 10.2 появляется управляющий сигнал (логическая «1»), который переводит ключ 9.3 в состояние, которое изменяет уровень порога с С₂(F₀₂) на уровень C₁(F₀₁), подаваемый с первого выхода блока 16, соответствующий уровню ложных тревог по критерию Неймана-Пирсона для вероятности P₀(q₀) для порогового отношения сигнал/шум , определяемого чувствительностью панорамного приемника. При этом в пороговом устройстве 17 принимается решение d₁(H₁), а на его выходе появляется сигнал логическая «1», по которому управляющее устройство панорамного приемника формирует управляющее воздействие на перестраиваемый по частоте гетеродин (на фиг.1 не показано) для его остановки в целях оценки параметров обнаруженного сигнала и его идентификации в дальнейшем, по результатам технического анализа.

Важнейшим показателем работы панорамного приемника последовательного анализа является время, за которое вскрывается РЭО с требуемой достоверностью. Поэтому в качестве показателя оценки эффективности предлагаемого устройства выберем среднее время обзора анализируемой полосы частот.

1. В известном ранее обнаружителе последовательно анализируется полоса обзора:

где N_Э - количество элементов разрешения по частоте;

ΔF₀ - размер одного элемента разрешения по частоте, определяемый полосой пропускания фильтра промежуточной частоты.

Полоса частот ΔF_П анализируется со средним временем обзора . При этом просматривается N_Э ячеек, из которых:

P₀(q₀)N_Э - «сигнальные» (порог превышен сигналом ИРИ);

F₀₁N_Э - «шумовые» (порог превышен шумом),

N_Э-N_ЭP₀(q₀)-N_ЭF₀₁ - «пустые» (порог не был превышен ни сигналом, ни шумом),

где F₀₁ - вероятность ложной тревоги.

Тогда среднее время обзора можно записать в виде:

где T_a - время анализа одного элемента разрешения по частоте;

Т_p - время, затраченное на распознавание сигнальной составляющей от шума, определяемое навыками оператора.

Проделав преобразования, перепишем выражение (3) в виде:

Так, например, для фиксированных параметров N_Э=2800 и ΔF₀=25 кГц полоса обзора составляет ΔF_П=70 МГц, при этом среднее время обзора определяется временем распознавания Т_p и количеством ячеек с шумовыми выбросами N_ЭF₀₁. Тогда для требуемой вероятности обнаружения P₀(q₀)=0.8 и отношения сигнал/шум фиксированная вероятность ложной тревоги по критерию Неймана - Пирсона составит F₀₁=8·10^-2. При этом среднее время обзора составит , при среднестатистическом времени распознавания T_p=2 секунды и времени анализа одного элемента разрешения по частоте T_a=120·10^-6 секунд.

2. В предлагаемом устройстве среднее время обзора не зависит от времени распознавания оператором T_p, так как этот процесс автоматизирован, и определяется по формуле:

где N_ЭF₀₂ - количество ячеек с шумовыми выбросами для вероятности ложной тревоги F₀₂ - определяемой вторым порогом. Тогда для той же полосы обзора ΔF_П среднее время обзора будет определяться только количеством ячеек с шумовыми выбросами N_ЭF₀₂. Для вероятности ложной тревоги F₀₂=10^-6 для второго порога, выбранного из условия обеспечения требуемой достоверности вскрытия РЭО, среднее время обзора составит . При этом выигрыш в среднем времени обзора составит:

Таким образом, выигрыш среднего времени обзора полосы обзора ΔF_П предлагаемым двухпороговым обнаружителем сигналов панорамного приемника последовательного анализа составляет 51 минуту, по сравнению с известным обнаружителем.

Эффективность изобретения выражается не только в обеспечении при последовательном анализе контролируемой полосы частот требуемой вероятности обнаружения по критерию Неймана - Пирсона (при установке порога C₁(F₀₁,K) и гипотезе Н₁), а также в сокращении времени анализа и поиска в анализируемой полосе частот (за счет установки при гипотезе H₀ уровня порога C₂(F₀₂)) при требуемой достоверности вскрытия РЭО для априори неизвестной загруженности.

Дополнительным преимуществом предлагаемого устройства относительно прототипа является возможность стабилизировать уровень ложных тревог за счет реализации автоматической регулировки чувствительности по шумам (ШАРУ) в линейном приемном тракте 2 (на фиг.1 второй вход линейного приемного тракта 2), что обеспечивается наличием среднего значения шума с уровнем σ² на выходе вычитающего устройства 13 блока обработки сигналов.

Двухпороговый обнаружитель сигналов панорамного приемника последовательного анализа, содержащий приемную антенну, линейный приемный тракт, первый и второй квадратурные фазовые детекторы, генератор опорной частоты, фазовращатель на 90°, первый и второй интеграторы, первый и второй квадратичные детекторы, сумматор и пороговое устройство, при этом соответствующие квадратурные фазовые детекторы, интеграторы и квадратичные детекторы соединены последовательно, к первому входу линейного приемного тракта подключена приемная антенна, выход линейного приемного тракта соединен с входами первого и второго квадратурного фазового детектора, первый выход генератора опорной частоты соединен со вторым входом первого квадратурного фазового детектора, а второй выход соединен через фазовращатель со вторым входом второго квадратурного фазового детектора, первый выход первого квадратичного детектора соединен с первым входом сумматора, а первый выход второго квадратичного детектора - со вторым входом сумматора, выход порогового устройства является выходом устройства, отличающийся тем, что дополнительно введены последовательно соединенные третий квадратичный детектор и третий интегратор, блок вычисления коэффициента К увеличения времени анализа одного элемента разрешения по формуле

где F₀ - вероятность ложной тревоги;

P₀(g₀) - вероятность обнаружения;

- пороговое отношение сигнал/шум на входе приемника,

блок формирования первого и второго порогов, первый, второй и третий ключ, первый и второй компаратор, первый и второй накопитель, первый и второй элемент ИЛИ, измеритель отношения мощностей сигнал/шум, вычитающие устройство, причем вход третьего квадратичного детектора соединен с выходом линейного приемного тракта, выход третьего интегратора соединен с первым входом второго ключа, третьим входом измерителя отношения мощностей сигнал/шум и вторым входом второго элемента ИЛИ, первый выход первого компаратора соединен со вторым входом первого ключа, а второй выход - со вторым входом второго ключа, первый вход первого компаратора соединен с выходом измерителя отношения мощностей сигнал/шум, первый вход которого соединен со вторым выходом второго квадратичного детектора, второй вход соединен со вторым выходом первого квадратичного детектора, выходы первого и второго ключа соединены, соответственно, с первыми входами первого и второго накопителей, а их вторые входы соединены, соответственно, с первым и вторым выходом блока вычисления коэффициента К увеличения времени анализа одного элемента разрешения, выходы первого и второго накопителей соединены, соответственно, с первыми входами первого и второго элементов ИЛИ, второй вход первого элемента ИЛИ соединен с первым выходом сумматора, второй выход которого соединен с первым входом первого ключа, выход первого элемента ИЛИ соединен с входом порогового устройства, первым входом второго компаратора, с первым входом вычитающего устройства, выход второго элемента ИЛИ соединен со вторым входом вычитающего устройства, первый выход вычитающего устройства соединен со вторым входом второго компаратора, а второй выход - со вторым входом линейного приемного тракта, выход второго компаратора соединен с первым входом третьего ключа, второй и третий входы которого соединены, соответственно, с первым и вторым выходами блока формирования первого и второго порогов, выход третьего ключа соединен со вторым входом порогового устройства.