RU2511598C2 - Method of detecting random low-energy signals - Google Patents
Method of detecting random low-energy signals Download PDFInfo
- Publication number
- RU2511598C2 RU2511598C2 RU2012111632/28A RU2012111632A RU2511598C2 RU 2511598 C2 RU2511598 C2 RU 2511598C2 RU 2012111632/28 A RU2012111632/28 A RU 2012111632/28A RU 2012111632 A RU2012111632 A RU 2012111632A RU 2511598 C2 RU2511598 C2 RU 2511598C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- signal
- signals
- detection
- radio
- energy signals
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
- Monitoring And Testing Of Transmission In General (AREA)
Abstract
Description
ёИзобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для целей радиоконтроля, радиомониторинга, обнаружения случайных низкоэнергетических сигналов. Способ основан на исследовании фрактальных свойств принимаемых сигналов.The invention relates to radio engineering and can be used for the purposes of radio monitoring, radio monitoring, and the detection of random low-energy signals. The method is based on the study of the fractal properties of the received signals.
В настоящее время известны различные способы обнаружения случайных низкоэнергетических сигналов (см. патенты Российской Федерации №2429494, 2359406, 2285274). Известные способы обнаружения основаны на использовании двухканального обнаружения с применением согласованной фильтрации, вычислении коэффициента корреляции, амплитудного спектра, расчета величины порога обнаружения, сравнении амплитуд спектральных составляющих с величиной порога обнаружения.Currently, various methods are known for detecting random low-energy signals (see patents of the Russian Federation No. 2429494, 2359406, 2285274). Known detection methods are based on the use of two-channel detection using consistent filtering, calculating the correlation coefficient, amplitude spectrum, calculating the detection threshold, comparing the amplitudes of the spectral components with the detection threshold.
Существует способ обнаружения импульсных радиосигналов при наличии сигналов мешающих отражений и белого шума. Заявленное изобретение относится к области радиотехники и заключается в использовании двухканального обнаружения, при котором в первом основном канале обнаружения применяют согласованную фильтрацию сигнала с пороговым принятием решения о его наличии или отсутствии по выбранному критерию, а во втором дополнительном канале обнаружения определяют момент времени от опорного отсчета с последующим измерением в нем напряжения шума и вычислением его коэффициента корреляции между опорным и информационным отсчетами, на основе чего при известной мощности выходного шума Pш согласованного фильтра и заданной вероятности ложной тревоги Pр вычисляют значение порога принятия решения, которое устанавливают в управляемом пороговом устройстве дополнительного канала обнаружения, при этом итоговое решение о наличии или отсутствии сигнала принимают на основе частных решений по основному и дополнительному каналам обнаружения по правилу: сигнал обнаруживается, если хотя бы в одном из частных каналов обнаружения он регистрируется, применяют некогерентное обнаружение и решение принимают по огибающей процесса на выходе линейного детектора огибающей, поэтому в момент опорного отсчета измеряют значение огибающей шума Uш(τ0) и вычисляют значение огибающей коэффициента корреляции R0 шума на выходе согласованного фильтра между опорным и информационным отсчетами при заданном значении порога П(τ0) [Патент RU 2285274 С2, СПОСОБ НЕКОГЕРЕНТНОГО ОБНАРУЖЕНИЯ ИМПУЛЬСНОГО РАДИОСИГНАЛА НА ФОНЕ МЕШАЮЩЕГО РАДИОИМПУЛЬСА И БЕЛОГО ШУМА, опубликованный 10.10.2006].There is a method for detecting pulsed radio signals in the presence of signals of interfering reflections and white noise. The claimed invention relates to the field of radio engineering and consists in the use of two-channel detection, in which in the first main detection channel a coordinated signal filtering is applied with a threshold decision on its presence or absence according to the selected criterion, and in the second additional detection channel, the time from the reference the subsequent measurement of the noise voltage in it and the calculation of its correlation coefficient between the reference and information samples, on the basis of which, when tnoj power output noise P w of the matched filter and the target false alarm probability P p value is calculated decision threshold, which is set to control the threshold device further detection channel, the final decision on the presence or no signal take on the basis of particular solutions of fundamental and supplemental channels detection by the rule: a signal is detected if at least one of the private detection channels is detected, incoherent detection and mayutsya of envelope process on output of the linear envelope detector, so at the time of the reference frame measured value of the noise envelope U u (τ 0) and the calculated envelope value of the correlation coefficient R 0 noise at the matched filter output between the reference and information samples for a given value threshold P (τ 0 ) [Patent RU 2285274 C2, METHOD FOR INCORRECT DETECTION OF A PULSE RADIO SIGNAL ON THE BACKGROUND OF AN INTERFERRING RADIO PULSE AND WHITE NOISE, published on 10.10.2006].
Недостатком данного способа является то, что он не позволяет выполнять обнаружение случайных низкоэнергетических сигналов и эффективен только в случае априорной определенности относительно типа принимаемого сигнала и при высоком отношении сигнал/шум 40 дБ.The disadvantage of this method is that it does not allow the detection of random low-energy signals and is effective only in the case of a priori certainty regarding the type of received signal and at a high signal to noise ratio of 40 dB.
Также известен способ обнаружения сверхмалых радиосигналов, основанный на использовании двух каналов с одинаковыми резонансными контурами и вычитаемого процесса. Резонансные контуры в момент времени to приводят в возбужденное состояние путем кратковременной и одновременной подачи напряжения, большего среднеквадратичного напряжения шумов и помех в них. Одновременно на оба канала подают радиосигнал с антенны. Последовательно изменяют фазы входных сигналов резонансных контуров путем введения в каналы фазовых сдвигов φ'1 и φ'2 с противоположными знаками. Выделяют верхние огибающие суммарных сигналов резонансных контуров - SA1(t) и SA2(t). Определяют разность этих огибающих - ΔSA(t). В момент достижения разности огибающих максимального значения - ΔSA фиксируют введенные фазовые сдвиги φ'1 и φ'2. После чего формируют полезный сигнал с амплитудой x=ΔSA/2(1-exp(-λt)), где λ - коэффициент затухания контуров, и фазой, определяемой как среднее арифметическое фазовых сдвигов φ'1 и φ'2, взятое с обратным знаком [Патент RU 2359406 С2, СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ СВЕРХМАЛЫХ РАДИОСИГНАЛОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ, опубликованный 20.06.2009].Also known is a method of detecting ultra-small radio signals based on the use of two channels with the same resonant circuits and a subtracted process. The resonant circuits at time to lead to an excited state by briefly and simultaneously supplying voltage, a greater rms voltage of noise and interference in them. At the same time, both channels provide a radio signal from the antenna. The phases of the input signals of the resonant circuits are successively changed by introducing phase shifts φ ' 1 and φ' 2 with opposite signs into the channels. The upper envelopes of the total signals of the resonant circuits — S A1 (t) and S A2 (t) —are distinguished. The difference of these envelopes is determined - ΔS A (t). When the envelope difference reaches its maximum value - ΔS A, the introduced phase shifts φ ' 1 and φ' 2 are fixed. After that, a useful signal is formed with the amplitude x = ΔS A / 2 (1-exp (-λt)), where λ is the attenuation coefficient of the loops, and the phase, defined as the arithmetic mean of the phase shifts φ ' 1 and φ' 2 , taken with the inverse the sign [Patent RU 2359406 C2, METHOD FOR DETECTING ULTRA SMALL RADIO SIGNALS AND A DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION, published on 06/20/2009].
Недостатком данного способа является то, что он эффективен только в случае априорной определенности относительно типа и параметров принимаемого сигнала. Кроме того, данное устройство технически трудно реализуемо, поскольку требуются постоянное возбуждение резонансных контуров и подача в определенные моменты времени полезного сигнала с антенны. Также отсутствует информация по порогу обнаружения низкоэнергетических сигналов.The disadvantage of this method is that it is effective only in the case of a priori certainty regarding the type and parameters of the received signal. In addition, this device is technically difficult to implement, since constant excitation of the resonant circuits and the supply of a useful signal from the antenna at certain times are required. There is also no information on the threshold for detecting low-energy signals.
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ обнаружения множества узкополосных радиосигналов в широкой полосе частот, который заключается в выполнении аналого-цифрового преобразования широкополосного входного процесса (ШВП), накоплении комплексных отсчетов ШВП и последовательном формировании выборок с отсчетами ШВП, вычислении амплитудного спектра сформированной выборки с отсчетами ШВП, расчете величины порога обнаружения для каждой составляющей амплитудного спектра как суммы сглаженной оценки спектра в скользящем по оси частоты взвешивающем окне и функции от их среднеквадратичного отклонения, сравнении амплитуд спектральных составляющих с величиной порога обнаружения, принятии решения об обнаружении радиосигналов в исследуемой полосе частот на основе мажоритарной обработки сохраненных результатов сравнения амплитуд спектральных составляющих с величиной порога обнаружения, полученных при анализе шести последовательно взятых выборок с отсчетами ШВП, выводе результатов обнаружения. Технический результат заключается в снижении влияния сигнально-помеховой обстановки [Патент RU 2429494 С1, СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ МНОЖЕСТВА УЗКОПОЛОСНЫХ РАДИОСИГНАЛОВ В ШИРОКОЙ ПОЛОСЕ ЧАСТОТ, опубликованный 20.09.2011]. Данное изобретение выбрано в качестве прототипа.Closest to the proposed method is a method for detecting a plurality of narrow-band radio signals in a wide frequency band, which consists in performing analog-to-digital conversion of a wide-band input process (ballscrew), accumulating complex ballscrew samples and sequentially generating samples with ballscrew samples, calculating the amplitude spectrum of the generated sample with samples Ballscrew, calculating the detection threshold for each component of the amplitude spectrum as the sum of the smoothed spectrum estimate in the moving the frequency axis of the weighing window and the function of their standard deviation, comparing the amplitudes of the spectral components with the detection threshold, deciding on the detection of radio signals in the studied frequency band based on the majority processing of the stored results of comparing the amplitudes of the spectral components with the detection threshold obtained by analyzing six sequentially taken samples with ballscrew readings, output of detection results. The technical result consists in reducing the influence of the signal-noise situation [Patent RU 2429494 C1, METHOD FOR DETECTING MULTIPLE VISIBLE RADIO SIGNALS IN A WIDE BAND, published on 09/20/2011]. This invention is selected as a prototype.
Недостатком указанного способа является необходимость выполнения большого количества вычислений, включая оценку амплитудного спектра входного процесса, расчет порога обнаружения для каждой составляющей амплитудного спектра и сравнение амплитуд спектральных составляющих с вычисленным порогом обнаружения, что требует значительных вычислительных ресурсов и времени на обработку. Кроме того, для выполнения оценок необходимо накопление нескольких выборок для принятия решения по мажоритарной схеме, что требует дополнительного времени для обработки, это является недопустимым при обработке случайных сигналов, которые могут появляться кратковременно и в случайные моменты времени.The disadvantage of this method is the need to perform a large number of calculations, including estimating the amplitude spectrum of the input process, calculating the detection threshold for each component of the amplitude spectrum and comparing the amplitudes of the spectral components with the calculated detection threshold, which requires significant computational resources and processing time. In addition, to carry out the estimates, it is necessary to accumulate several samples to make a majority decision, which requires additional processing time; this is unacceptable when processing random signals that can appear briefly and at random times.
Задачей настоящего изобретения является обнаружение случайных низкоэнергетических сигналов и устранение недостатков прототипа - упрощение обработки сигнала и уменьшение вычислительных затрат. Эту задачу в предлагаемом способе решают путем применения обработки гармонических сигналов, используя их фрактальные свойства, как это показано на блок-схеме на фиг.1.The present invention is to detect random low-energy signals and eliminate the disadvantages of the prototype is to simplify signal processing and reduce computing costs. This problem in the proposed method is solved by applying the processing of harmonic signals using their fractal properties, as shown in the block diagram in figure 1.
Выбор фрактальной обработки обусловлен тем, что фрактальная обработка позволяет описать интегральные характеристики сигналов, которые не зависят от момента прихода и рассчитываются для всей длительности сигнала. Оцифрованный сигнал представляет собой временной ряд данных. В качестве показателя, характеризующего фрактальные свойства временных рядов, выбран показатель Херста. Для определения показателя Херста используют метод нормированного размаха.The choice of fractal processing is due to the fact that fractal processing allows us to describe the integral characteristics of signals that are independent of the moment of arrival and are calculated for the entire duration of the signal. The digitized signal is a time series of data. The Hurst exponent was chosen as an indicator characterizing the fractal properties of time series. To determine the Hurst exponent, the normalized swing method is used.
Принцип работы данного метода заключается в следующем. Суммы отклонений подсчитывают для различных периодов времени и для различного количества последовательных моментов наблюдений, которые выступают в качестве масштаба измерений. Пусть X={Xn} - это заданный набор значений анализируемого динамического ряда (сигнала). Тогда накопленное отклонение от среднего для некоторого интервала определют как:The principle of operation of this method is as follows. The sums of deviations are calculated for different time periods and for a different number of consecutive observation moments that act as the measurement scale. Let X = {X n } be a given set of values of the analyzed time series (signal). Then the accumulated deviation from the average for a certain interval is defined as:
где
Соответственно, размаха R(t): Accordingly, the span R (t):
где Where
Δ(t) - накопленное отклонение от среднего для некоторого интервала времени t,Δ (t) is the accumulated deviation from the average for a certain time interval t,
то есть разность между максимальным и минимальным отклонениями от среднего, эта характеристика отличается от разности между максимальным и минимальным значениямим временной последовательности.that is, the difference between the maximum and minimum deviations from the average, this characteristic differs from the difference between the maximum and minimum values of the time sequence.
Для описания и сравнения различных временных рядов, например, для сигналов с разными видами модуляции, более удобна нормированная безразмерная характеристика - нормированный размах.To describe and compare different time series, for example, for signals with different types of modulation, the normalized dimensionless characteristic, the normalized range, is more convenient.
Нормированный размах на интервале определяют следующим образом:The normalized range of the interval is determined as follows:
где S(t) - стандартное отклонение. Согласно формуле Херста:where S (t) is the standard deviation. According to Hurst’s formula:
где a и H - некоторые константы.where a and H are some constants.
Константа H может изменяться в диапазоне от 0 до 1 и называется показателем Херста. Он характеризует угол наклона графика линейной зависимости
Имеются три различных классификации для показателя Херста:There are three different classifications for the Hurst exponent:
1) Н=0,5 - указывает на случайный ряд, события случайны и не коррелированны.1) H = 0.5 - indicates a random series, events are random and not correlated.
2) 0≤Н<0,5 - данный диапазон соответствует гармоническому сигналу.2) 0≤N <0.5 - this range corresponds to a harmonic signal.
3) 0,5<Н≤1 - соответствует возрастающему или убывающему ряду.3) 0.5 <Н≤1 - corresponds to an increasing or decreasing row.
При распространении радиосигналы испытывают воздействие белого шума. Соответственно, при уменьшении отношения сигнал/шум увеличивается показатель Херста, приближаясь к значению 0,5.When propagating, radio signals are exposed to white noise. Accordingly, with a decrease in the signal-to-noise ratio, the Hurst parameter increases, approaching the value of 0.5.
Для отработки предлагаемого способа обнаружения случайных низкоэнергетических сигналов взяты широко используемые в космических системах связи типы модуляции: ФМн-2, ФМн-4, ФМн-8, КАМ-16. Зависимость величины показателя Херста от отношения сигнал/шум для сигналов с различными типами модуляции показана на фиг.2. Как видно по фиг.2, при отношении сигнал/шум меньше -15 дБ показатель Херста становиться равен 0,5 для всех видов модуляции, то есть показатель Херста характеризует процесс как полностью случайный. При увеличении отношения сигнал/шум показатель Херста уменьшается и при больших значениях отношения сигнал/шум стабилизируется.To test the proposed method for detecting random low-energy signals, we used the types of modulation widely used in space communication systems: FMN-2, FMN-4, FMN-8, KAM-16. The dependence of the value of the Hurst indicator on the signal-to-noise ratio for signals with various types of modulation is shown in Fig. 2. As can be seen from figure 2, when the signal-to-noise ratio is less than -15 dB, the Hurst exponent becomes 0.5 for all types of modulation, that is, the Hurst exponent characterizes the process as completely random. With an increase in the signal-to-noise ratio, the Hurst exponent decreases, and at large values of the signal-to-noise ratio, it stabilizes.
Экспериментальным путем выяснено, использование показателя Херста в качестве критерия обнаружения позволяет эффективно обнаруживать случайные низкоэнергетические сигналы, отношение сигнал/шум которых составляет порядка минус 10 дБ.It has been found experimentally that the use of the Hurst parameter as a detection criterion makes it possible to efficiently detect random low-energy signals whose signal-to-noise ratio is of the order of
Достигаемым техническим результатом предлагаемого способа является снижение порога обнаружения случайных низкоэнергетических сигналов. Данный результат получен путем применения обработки гармонических сигналов, используя их фрактальные свойства. Предлагаемый способ обеспечивает результат и при воздействии шумов на исследуемый сигнал (см. фиг.2). Пороговое значение отношения сигнал/шум, при котором выполняется заявленный результат, составляет минус 10 дБ. При этом обработка сигнала проводится в режиме, максимально приближенном к реальному времени.Achievable technical result of the proposed method is to reduce the detection threshold of random low-energy signals. This result was obtained by applying the processing of harmonic signals using their fractal properties. The proposed method provides a result and when exposed to noise on the signal under study (see figure 2). The threshold value of the signal-to-noise ratio at which the claimed result is executed is minus 10 dB. In this case, the signal processing is carried out in the mode as close as possible to real time.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012111632/28A RU2511598C2 (en) | 2012-03-26 | 2012-03-26 | Method of detecting random low-energy signals |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012111632/28A RU2511598C2 (en) | 2012-03-26 | 2012-03-26 | Method of detecting random low-energy signals |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2012111632A RU2012111632A (en) | 2013-10-10 |
RU2511598C2 true RU2511598C2 (en) | 2014-04-10 |
Family
ID=49302440
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2012111632/28A RU2511598C2 (en) | 2012-03-26 | 2012-03-26 | Method of detecting random low-energy signals |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2511598C2 (en) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2285274C2 (en) * | 2002-11-26 | 2006-10-10 | Воронежский военный авиационный инженерный институт | Method for non-coherent detection of impulse radio-signal on background of interfering radio-impulse and white noise |
RU2359406C2 (en) * | 2006-11-27 | 2009-06-20 | Станислав Иосифович Коршаковский | Method for detection of subminiature radio signals and device for its realisation |
RU2429494C1 (en) * | 2010-06-15 | 2011-09-20 | Олег Александрович Нохрин | Detection method of multiple narrow-band radio signals in broad band of frequencies |
-
2012
- 2012-03-26 RU RU2012111632/28A patent/RU2511598C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2285274C2 (en) * | 2002-11-26 | 2006-10-10 | Воронежский военный авиационный инженерный институт | Method for non-coherent detection of impulse radio-signal on background of interfering radio-impulse and white noise |
RU2359406C2 (en) * | 2006-11-27 | 2009-06-20 | Станислав Иосифович Коршаковский | Method for detection of subminiature radio signals and device for its realisation |
RU2429494C1 (en) * | 2010-06-15 | 2011-09-20 | Олег Александрович Нохрин | Detection method of multiple narrow-band radio signals in broad band of frequencies |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2012111632A (en) | 2013-10-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
WO2014094039A1 (en) | A background correction method for a spectrum of a target sample | |
RU2570592C1 (en) | Method of detecting and analysing acoustic emission signals | |
Li et al. | Noise suppression for magnetotelluric using variational mode decomposition and detrended fluctuation analysis | |
CN104749156A (en) | Raman spectrum detection method | |
Ghanati et al. | Joint application of a statistical optimization process and empirical mode decomposition to magnetic resonance sounding noise cancelation | |
CN105866748B (en) | A kind of long CFAR detection method of fixation window based on detection priori | |
US9891158B2 (en) | Method for detecting particles | |
CN108225418B (en) | A kind of information detecting method, device, electronic equipment and storage medium | |
Yamamoto et al. | Characterization of non-gaussianity in gravitational wave detector noise | |
RU2572052C2 (en) | Method of detecting low-noise marine object | |
RU2511598C2 (en) | Method of detecting random low-energy signals | |
CN110333506B (en) | Method for extracting inhaul cable position parameters of cable force measurement radar | |
CN115031875B (en) | Vibrating wire sensor self-adaptive frequency sweep excitation method and system based on frequency spectrum feedback | |
KR101579896B1 (en) | System and Method for Analyzing Cable State using Multi Band Signal | |
CN111371436A (en) | Radar antenna scanning period measuring method, device, equipment and storage medium | |
RU2351005C1 (en) | Method of evaluating signal parameters and device to this end (versions) | |
JP6572169B2 (en) | Component concentration measuring apparatus and component concentration measuring method | |
RU2292558C1 (en) | Method of determination electric current noise signal spectrum | |
RU2548780C1 (en) | Method for assessing functional state of haemostasis system | |
RU2466416C1 (en) | Method of measuring signal-to-noise ratio | |
EP3640672A1 (en) | Systems and methods for distance independent acoustical differential signature detection | |
Yunus et al. | A new method for monitoring ammonium nitrate contamination in natural water sources based on independent component analysis | |
RU2413238C1 (en) | Interference suppression method | |
RU2646857C1 (en) | Method of moving target selection | |
RU2548032C2 (en) | Method of estimating signal-to-noise ratio using phase-modulated signals |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20200327 |