RU2747577C1 - Способ неразрушающего обнаружения импульсных радиосигналов в условиях узкополосных помех - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к радиолокации и может быть использовано для обнаружения импульсных радиосигналов в условиях узкополосных активных помех. Технический результат - повышение помехоустойчивости обнаружения импульсных радиосигналов в условиях узкополосных помех и белого шума без разрушения выходного сигнала обнаружителя при неизменных энергетических и частотно-временных ресурсах радиоканала. Согласно способу неразрушающего обнаружения импульсных радиосигналов осуществляют оценку частот, мощностей и полос частот узкополосных помех и согласованную с входным сигналом фильтрацию. По выходному сигналу согласованного фильтра выбирают моменты времени взятия информационного и опорного отсчетов, в которых измеряют соответствующие значения сигнально-помеховых реализаций, и вычисляют значение коэффициента корреляции результирующей помехи между информационным и опорным отсчетами. На противоположном фронте выходного сигнала согласованного фильтра выбирают моменты времени взятия дополнительных информационного и опорного отсчетов, в которых измеряют соответствующие значения сигнально-помеховых реализаций, и вычисляют значение коэффициента корреляции узкополосной помехи между дополнительными информационным и опорным отсчетами. По измеренным сигнально-помеховым реализациям в информационных и опорных отсчетах и вычисленных значениях коэффициентов корреляции результирующей помехи между соответствующими информационными и опорными отсчетами вычисляют результирующую величину, которую сравнивают с заданным пороговым значением, и по выбранному критерию принимают решение о наличии или отсутствии сигнала на входе обнаружителя. 2 ил.

Description

Изобретение относится к технике приема (обнаружения) импульсных радиосигналов в условиях узкополосных активных помех и может быть использовано в аппаратуре приема дискретной информации, а также в радиолокации и радионавигации и является дальнейшим усовершенствованием изобретения по патенту РФ №2112249.

Известен оптимальный способ обнаружения импульсных радиосигналов в условиях 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-помеха на его выходе и в конечном итоге к снижению достоверности обнаружения сигнала. Перестройка данного фильтра при изменении помеховой обстановки требует соответствующей перестройки согласованного с полезным сигналом фильтра, что технически не всегда возможно. Кроме этого, принципиально неустранимым недостатком данного способа является искажение структуры выходного сигнала оптимального фильтра, которое проявляется, главным образом, в увеличении его временной протяженности, приводящей к ухудшению разрешающей способности соответствующей радиотехнической системы.

Практически реализуемым и наиболее близким к оптимальному является способ обнаружения импульсных радиосигналов в условиях узкополосных помех, содержащий последовательное выполнение операций оценки параметров помех (их средних частот, мощностей и занимаемых полос частот), частотной режекции помех и согласованной фильтрации 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 выполняют функцию анализатора помех, определяющего количество, средние частоты, мощности и полосы частот действующих помех в диапазоне частот радиоприема. Логика работы устройства, реализующего этот способ, заключается в отключении тех парциальных каналов вместе с элементами полезного сигнала, где сосредоточены узкополосные помехи, превышающие заданный пороговый уровень мощности.

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 увеличении временной протяженности, вследствие остаточной нестабильности параметров отдельных парциальных каналов (Пестряков В.Б. и др. Шумоподобные сигналы в системах передачи информации. - М.: Сов. Радио, 1973).

Наиболее близким к предлагаемому является способ обнаружения импульсных радиосигналов в условиях узкополосных помех, содержащий оценку параметров помех и согласованную фильтрацию сигнала с последующим пороговым принятием решения о его наличии или отсутствии по выбранному критерию. При этом по выходному сигналу согласованного фильтра определяют момент времени взятия информационного отсчета, совпадающего с максимальным значением выходного сигнала и момент времени взятия опорного отсчета. В опорном отсчете измеряют мгновенное значение сигнально-помеховой реализации и вычисляют коэффициент корреляции узкополосной помехи между опорным и информационным отсчетами. По этим величинам с учетом амплитуды сигнала в информационном отсчете вычисляют текущее значение порога принятия решения, которое устанавливают в пороговом устройстве обнаружителя (описание изобретения к патенту РФ №2112249).

В данном способе обнаружения исключается необходимость режекторного вмешательства во внутреннюю структуру сигнала, что обеспечивает сохранение его формы на выходе обнаружителя, а подавление узкополосных помех осуществляется за счет управления порогом принятия решения на основе информации о сигнально-помеховой реализации, измеренной в опорном отсчете.

Недостатком описанного способа (прототипа) является неполное использование информации о сигнально-помеховой реализации на выходе согласованного фильтра при принятии решения, что не позволяет получить максимально-возможное отношение сигнал-помеха и, следовательно, не позволяет дополнительно повысить достоверность обнаружения сигнала при неизменных энергетических и частотных ресурсах соответствующего радиоканала.

Действительно, поскольку выходной сигнал согласованного фильтра, представляющий собой автокорреляционную функцию (АКФ) входного сигнала, всегда является симметричным относительно момента времени соответствующего его максимальному значению и с длительностью в два раза большей длительности входного сигнала, то, следовательно, для получения дополнительной информации о сигнально-помеховой реализации, на противоположном фронте выходного сигнала согласованного фильтра выбирают дополнительные моменты времени информационного и опорного отсчетов. Причем, выбор информационных и опорных отсчетов должен быть таким, чтобы обеспечивалось максимальное результирующее отношение сигнал-помеха на входе решающего устройства обнаружителя при заданной форме сигнала.

Технический результат изобретения заключается в повышении помехоустойчивости обнаружения импульсных радиосигналов в условиях узкополосных помех и белого шума без разрушения структуры выходного сигнала обнаружителя и при неизменных энергетических и частотно-временных ресурсах соответствующего радиоканала.

Для достижения данного технического результата в способе обнаружения импульсных радиосигналов в условиях узкополосных помех, включающим оценку средних частот, мощностей и занимаемых полос частот узкополосных помех и согласованную со входным сигналом фильтрацию, по выходному сигналу которой определяют момент времени t₁ взятия информационного отсчета, в котором измеряют мгновенное значение сигнально-помеховой реализации u_СП(t₁), и момент времени t₂ взятия опорного отсчета, в котором измеряют мгновенное значение сигнально-помеховой реализации u_СП(t₂), и вычисляют значение коэффициента корреляции r{t₂-t₁) узкополосной помехи между опорным и информационным отсчетами, и вычисляют величину r(t₂ - t_l)u_СП(t₂) с последующим пороговым принятием решения о наличии или отсутствии сигнала по выбранному критерию, выбирают на противоположном фронте выходного сигнала согласованного фильтра момент времени t₃ взятия дополнительного информационного отсчета, в котором измеряют мгновенное значение сигнально-помеховой реализации u_СП(t₃) и соответствующий ему момент времени t₄ взятия дополнительного опорного отсчета, в котором измеряют мгновенное значение сигнально-помеховой реализации u_СП(t₄), и вычисляют значение коэффициента корреляции r(t₄-t₃) узкополосной помехи между дополнительными опорным и информационным отсчетами, и вычисляют величину r(t₄-t₃)u_CП(t₄), на основе которых вычисляют результирующую величину u_РЕЗ=[u_СП(t₁-r(t₂-t₁)u_СП(t₂)]+[u_СП(t₃)-r(t₄-t₃)u_СП(t₄)], которую сравнивают с заданным пороговым значением, на основе чего формируют итоговое решение о наличии или отсутствии сигнала на входе обнаружителя.

Таким образом, в предлагаемом способе обнаружения сигнальные составляющие в соответствующих отсчетах суммируются по амплитуде, а помеховые составляющие суммируются по мощности, что и обеспечивает увеличение результирующего отношения сигнал-помеха на входе решающего устройства обнаружителя, а, следовательно, повышение помехоустойчивости обнаружения радиосигнала по сравнению с прототипом.

Представим доказательство наличия указанного технического результата. Пусть обнаруживаемый входной импульсный радиосигнал является сигналом с известными параметрами и, в общем случае, имеет следующий вид:

где U_вx(t), ω₀, ψ(t), ϕ₀, T_c - соответственно огибающая, средняя частота, переменная фаза, начальная фаза, которая принимается постоянной и длительность радиосигнала.

При этом амплитудно-частотный спектр (АЧС) S_вx(jω) сигнала (1) однозначно определяется от него прямым преобразованием Фурье.

Помеховая обстановка, в условиях которой осуществляется обнаружение радиосигнала, представляет собой аддитивную смесь белого шума и совокупности стационарных узкополосных помех, результирующий энергетический спектр которой определяется выражением:

где N₀/2, G_i(ω) - соответственно спектральная плотность мощности белого шума и спектральная плотность мощности i-тых разделимых по частоте т узкополосных помех, действующих в полосе частот сигнала.

В общем случае спектральная плотность мощности i-той узкополосной помехи, выраженная через соответствующие параметры сигнала, имеет вид:

где F_i(·) - некоторая функция, описывающая вид спектральной плотности i-той узкополосной помехи; ω₀+χ_iΔω_с/2=ω_i - средняя частота i-той узкополосной помехи, выраженная через среднюю частоту спектра сигнала ω₀ и его полосу частот Δω_с с соответствующим коэффициентом |χ|≤1, определяющим местоположение частоты помехи в пределах полосы частот сигнала;

- значение спектральной плотности мощности i-той помехи на ее средней частоте, выраженное через квадрат модуля спектра входного сигнала

и соответствующий коэффициент η_ι>0; γ_ίΔω_с=Δω_i - полоса частот i-той помехи выраженная через полосу частот сигнала Δω_с и соответствующий коэффициент 0 < γ_ί ≤ 1.

Известно, что комплексный коэффициент передачи согласованного со входным сигналом фильтра имеет вид

где

- спектр, комплексно сопряженный со спектром входного сигнала; C₀,t₀ - соответственно, некоторая постоянная, имеющая смысл коэффициента усиления и момент времени, в котором достигается максимальное значение сигнала на выходе согласованного фильтра.

При этом выходной сигнал согласованного фильтра легко определяется по известным выражениям (1) и (4) и в общем виде будет равен

где u_вых(t) и U₀ - соответственно, безразмерный нормированный выходной сигнал согласованного фильтра и его амплитуда.

С учетом (2), (3) и (4) результирующий энергетический спектр помехи на выходе согласованного фильтра будет иметь следующий вид:

В результате, корреляционную функцию суммарной помехи на выходе согласованного фильтра при условии, что частные узкополосные помехи между собой не коррелированы, можно получить путем преобразования Фурье от выражения (6), которая в общем случае будет равна

где R₀(t) и R_i(t) - соответственно корреляционная функция белого шума и корреляционные функции i-тых разделимых по частоте узкополосных помех на выходе согласованного фильтра.

При этом коэффициент корреляции суммарной помехи в соответствии с общим определением будет равен

где R₀(0) и R_i(0) - соответственно мощность белого шума и мощности i-тых узкополосных помех на выходе согласованного фильтра, поскольку корреляционная функция в нуле определяет мощность (дисперсию) случайного процесса.

Запишем выражение для отношения сигнал-помеха на входе устройства принятия решения в способе-прототипе, в котором используется только одна пара временных отсчетов сигнально-помеховой реализации: момент информационного отсчета t₁ и момент опорного отсчета t₂. В этом случае можно показать, что при нормальном законе распределения мгновенных значений суммарной помехи отношение сигнал-помеха по мощности будет равно

где u_вых(t₁), u_вых(t₂) - соответственно значения выходного сигнала согласованного фильтра в моменты времени t₁ и t₂; r{t₂-t₁) - коэффициент корреляции суммарной помехи между моментами времени t₁ и t₂.

Поскольку выходной сигнал согласованного фильтра при t₀=0 является симметричной (четной) функцией относительно своего максимального значения, то для повышения отношения сигнал-помеха в предлагаемом способе используют дополнительные сигнально-помеховые составляющие, сформированные в симметричных отсчетах: t₃ = -t_l; t₄ = -t₂. В итоге результирующее отношение сигнал-помеха в предлагаемом способе будет равно

где r_вз{t₁,t₂) - коэффициент взаимной корреляции между помехами, сформированными в симметричных временных отсчетах сигнально-помеховой реализации на выходе согласованного фильтра, который после соответствующих преобразований будет иметь вид

При подстановке в (10) выражения (11) с учетом того, что

, где Ε - энергия сигнала, a N₀ - односторонняя спектральная плотность мощности белого шума окончательно получим:

Из (12) следует, что результирующее отношение сигнал-помеха в предлагаемом способе зависит от исходного отношения сигнал-помеха при наличии только белого шума и от отношения суммарной мощности узкополосных помех к мощности белого шума, от вида информационного сигнала и коэффициента корреляции суммарной помехи, а также от моментов времени информационного отсчета t₁ и опорного отсчета t₂.

При заданной форме сигнала и помеховой обстановке отношение сигнал-помеха можно дополнительно максимизировать по переменным t₁ и t₂. Для чего необходимо составить и решить следующую систему двух уравнений:

Результатом решения системы уравнений (13) будут такие моменты времени

которые обеспечивают максимальное значение отношения сигнал-помеха, определяемого выражением (12).

Если узкополосные помехи отсутствуют и обнаружение сигнала осуществляется только на фоне белого шума с мощностью R₀(0), то момент информационного отсчета будет равен t₁=0, в котором имеет место максимальное значение выходного сигнала, равное и_вых(t₁=0)=1, а в момент опорного отсчета t₂=T_c выходное напряжение будет равно u_выx(t₂=Т_с)=0. Следовательно коэффициент корреляции r(t₂-t₁)=0, а взаимный коэффициент корреляции, определяемый выражением (11) будет равен r_вз(t₁,t₂)=1. При этом из (12) следует известный результат, заключающийся в том, что Q_cn(t₁,t₂)=2E/N₀.

При заданном входном сигнале со спектром S_вx(jω) и результирующей спектральной плотностью мощности помехи на входе G_вх(ω) максимально-возможное отношение сигнал-помеха на выходе оптимального линейного фильтра определяется известным выражением (Тихонов В.И. Оптимальный прием сигналов. М.: Радио и связь, 1983, с. 39):

В качестве показателя энергетической эффективности предлагаемого способа обработки сигнала принята величина

где

- определяется выражением (12) с учетом его максимизации по переменным t₁ и t₂.

Аналогично, данный показатель для прототипа будет равен

где

определяется выражением (9) при оптимальных значениях

Для определения длительности (временной протяженности) выходного сигнала при оптимальной и предлагаемой (неразрушающей) обработке целесообразно использовать «энергетический подход» с соответствующим представлением сигнала в частотной и временной областях.

Если спектр входного сигнала равен S_вx(jω), то при согласованной его фильтрации при С₀=1 и t₀=0 спектр выходного сигнала согласованного фильтра будет равен

При этом полная энергия выходного сигнала в частотном представлении определяется величиной:

Выходной сигнал согласованного фильтра во временном представлении определяется преобразованием Фурье от его спектра:

Полная энергия выходного сигнала во временном представлении определяется величиной:

С учетом четности функций частотного и временного представления выходного сигнала согласованного фильтра его длительность (временная протяженность) на уровне α от полной энергии сигнала с учетом (17) - (19) определяется из условия:

где Т₁ - половинная длительность выходного сигнала в предлагаемом способе обработки, совпадающая с прототипом.

Аналогично можно показать, что длительность выходного сигнала оптимального линейного фильтра будет определяться из условия:

где Т₂ - половинная длительность выходного сигнала при оптимальной обработке в условиях узкополосных помех.

Если, например, в выражениях (20) и (21) коэффициент α=0,95, то это означает, что длительность выходного сигнала определяется его временной протяженностью, в пределах которой сосредоточено 95% энергии выходного сигнала.

При оптимальной фильтрации сигнала в условиях помех с существенно-неравномерным энергетическим спектром значительно искажается структура выходного сигнала оптимального фильтра с одновременным увеличением его временной протяженности (длительности). Данное обстоятельство приводит к ухудшению временной разрешающей способности соответствующей радиотехнической системы при обнаружении и распознавании объектов, в особенности, в условиях многоцелевой ситуации. Кроме этого увеличение длительности выходных сигналов оптимальных фильтров в системах связи приводит к, так называемым, межсимвольным помехам, снижающим их помехоустойчивость при неизменной скорости передачи информации. Либо, для обеспечения неизменной помехоустойчивости необходимо уменьшать скорость передачи информации.

Поэтому вторым важным показателем эффективности предлагаемого способа обработки сигнально-помеховых реализаций, который совпадает с прототипом, является временной показатель, представляющий следующую величину:

В качестве примера рассмотрим две формы входного сигнала следующих видов:

Энергетический спектр i-той узкополосной помехи гауссовской формы, выраженный через параметры спектра сигнала будет иметь вид:

Корреляционная функция узкополосной помехи, соответствующая спектру (25) определяется следующим выражением:

На основе выбранных форм сигналов (23) и (24) и энергетического спектра узкополосной помехи (25) с соответствующей корреляционной функцией (26) рассчитаны зависимости определяющих показателей эффективности предлагаемого способа обработки сигналов и прототипа от параметров узкополосных помех.

На фиг. 1,а представлены характеристики зависимости энергетического показателя эффективности λ_сп от нормированной частоты χ узкополосной помехи при различных ее нормированных полосах частот γ для разных форм входных сигналов; на фиг. 1,б для тех же форм сигналов представлены характеристики зависимости показателя эффективности λ_сп от нормированной полосы частот узкополосной помехи при различных ее нормированных частотах χ; на фиг. 1,в для тех же условий представлены характеристики зависимости временного показателя эффективности L от нормированной частоты χ узкополосной помехи при различных ее нормированных полосах частот γ; на фиг. 1,г для тех же условий представлены характеристики зависимости показателя эффективности L от нормированной полосы частот узкополосной помехи при различных ее нормированных частотах χ; на фиг. 1,д и фиг. 1,е, соответственно, представлены характеристики зависимости энергетического показателя эффективности для прототипа λ_ηρ от нормированной частоты помехи χ при различных значениях ее нормированной полосы γ и от нормированной полосы γ при различных ее нормированных частотах χ; на фиг. 2 представлена структурная электрическая схема устройства, реализующего предложенный способ неразрушающего обнаружения импульсных радиосигналов в условиях узкополосных помех.

При этом на фиг. 1,а характеристики 1 и 3 соответствуют радиосигналу (23), а характеристики 2 и 4 соответствуют радиосигналу (24) при нормированных значениях полосы частот узкополосной помехи, соответственно, равных γ=0,1 и γ=0,3.

Анализ представленных характеристик свидетельствует, что при определенном отклонении средней частоты помехи от частоты сигнала (в данном случае при 0 ≤ χ < 0,7) наблюдается выигрыш по энергетическому показателю λ_сп при использовании сигнала (24) по сравнению с сигналом (23) при одинаковых значениях γ. Однако при χ>0,7 тенденция в поведении характеристик меняется на противоположную так, что радиосигнал (23) по данному показателю становится более эффективным чем радиосигнал (24). Такое поведение характеристик объясняется разной структурой спектров и соответственно разным характером временного изменения выходных сигналов соответствующих согласованных фильтров. Действительно, поскольку крутизна фронтов выходного сигнала согласованного фильтра для входного сигнала (24) значительно выше, чем для сигнала (23), то следовательно и разностный выходной сигнал в опорных точках для сигнала (24) будет больше соответствующего разностного выходного сигнала в своих опорных точках при входном сигнале (23), что обеспечивает увеличение показателя λ_сп для сигнала (24) при соответствующих значениях χ. В то же время поскольку спектр сигнала (24) является равномерным в соответствующей полосе частот, а спектр сигнала (23) достаточно быстро убывает к границам его полосы частот, то следовательно, влияние узкополосной помехи на результирующее отношение сигнал-помеха при больших значениях χ для сигнала (23) будет меньше, чем для сигнала (24), что и обусловливает, в данном случае, соответствующее превышение показателя λ_сп.

На фиг. 1,б для тех же форм сигналов представлены характеристики зависимости показателя эффективности λ_сп от нормированной полосы частот узкополосной помехи при различных ее нормированных средних частотах χ. Характеристики 5 и 7 соответствуют радиосигналу (23), а характеристики 6 и 8 - радиосигналу (24) при χ=0 и χ=0,3, соответственно, и коэффициенте превышения спектральной плотности мощности помехи над спектральной плотностью мощности сигнала η=10.

Характерной особенностью поведения представленных характеристик является наличие минимумов в показателе λ_сп при соответствующих значениях γ и χ. Такое поведение характеристик объясняется тем, что при γ=0 узкополосные помехи отсутствуют, а присутствует при обработке сигнала только белый шум, что обеспечивает максимальное значение показателя эффективности λ_сп=1. При γ=1 узкополосная помеха превращается в помеху с равномерной спектральной плотностью мощности в полосе частот сигнала, действие которой эквивалентно некоторому белому шуму, следовательно и в этом случае показатель эффективности λ_сп=1. Это объясняется тем, что оптимальной обработкой сигнала в известном и предлагаемом способах является согласованная фильтрация сигнала на фоне белого шума, обеспечивающая в обоих случаях одинаковое предельное отношение сигнал-помеха, равное 2Е/Ν_0ρ, где Ε - энергия входного сигнала, a Ν_0ρ - результирующая спектральная плотность мощности некоторого эквивалентного белого шума.

Обобщенный анализ результатов, представленных на фиг. 1,а и фиг. 1,б показывает, что при наличии одной, причем, достаточно мощной узкополосной помехи энергетический показатель λ_сп не уменьшается ниже 0,8 от оптимального, предельно-возможного значения, что свидетельствует о достаточно высокой эффективности предлагаемого способа неразрушающей обработки сигнала.

Для тех же входных сигналов (23) и (24) по выражению (22) рассчитаны и представлены на фиг. 1,в и фиг. 1,г характеристики зависимости временного показателя эффективности L от параметров узкополосной помехи. В частности, на фиг. 1,в для различных форм сигналов представлены характеристики зависимости показателя L от нормированной частоты χ узкополосной помехи при различных ее нормированных полосах частот γ. Характеристики 9 и 11 соответствуют радиосигналу (23), а характеристики 10 и 12 радиосигналу (24) при γ=0,1 и 0,3, соответственно.

Анализ представленных характеристик свидетельствует, что при данной помеховой обстановке длительность выходного сигнала оптимального фильтра (показатель L) для входного сигнала (23) больше, чем для сигнала (24) при изменении параметра помехи χ от 0 до 0,8. При χ>0,8 наблюдается противоположная, хотя и незначительная, тенденция в поведении характеристик. Такое поведение характеристик объясняется существенно различной зависимостью спектральной плотности данных сигналов от частоты. Так, если у сигнала (23) основная энергия сосредоточена в окрестности его средней частоты, то у сигнала (24) энергия распределена равномерно в пределах полосы частот, что и обусловливает соответствующее поведение временного показателя L от нормированной частоты χ узкополосной помехи.

На фиг. 1,г для тех же форм сигналов представлены характеристики зависимости показателя L от нормированной полосы частот γ узкополосной помехи при различной ее нормированной частоте χ. Характеристики 13 и 15 соответствуют радиосигналу (23), а характеристики 14 и 16 - радиосигналу (24) при χ=0 и χ=0,3 соответственно.

Характерной особенностью поведения представленных характеристик является наличие максимумов в значениях показателя L при соответствующих значениях γ и χ. Это свидетельствует о максимальном разрушении структуры сигнала оптимального фильтра при данных параметрах помеховой обстановки, приводящим к соответствующему увеличению его длительности (временной протяженности). При этом в крайних точках, в которых γ=0 (случай отсутствия узкополосной помехи) и γ=1 (помеха с равномерным спектром в полосе частот сигнала) значения показателя L=1. Это объясняется тем, что при данных значениях γ результирующая помеха становится эквивалентной белому шуму, при котором, как известно, оптимальная фильтрация сигнала превращается в согласованную фильтрацию исходного входного сигнала.

Обобщенный анализ результатов, представленных на фиг. 1,в и фиг. 1,г свидетельствует, что если исходные радиосигналы имеют неравномерный спектр, то в результате их оптимальной обработки в условиях узкополосных помех соответствующие выходные сигналы становятся более протяженными по времени (показатель L больше) по сравнению с сигналами с равномерным спектром, в особенности, если средняя частота узкополосной помехи совпадает со средней частотой сигнала. Так, например, для радиосигнала (23), имеющего неравномерный спектр типа sin(x)/x и параметрах узкополосной помехи: χ=0 и γ=0,6 максимальное значение показателя L=l,82, тогда как для радиосигнала (24), имеющего равномерный спектр, максимальное значение показателя L=1,65 при χ=0 и γ=0,7. Расхождение результатов по показателю L для данных радиосигналов объясняется неравномерным распределением их энергии по частоте, что и обусловливает разную их чувствительность (в том числе и временную протяженность) при ослаблении разных участков спектра, определяемых частотой действующей узкополосной помехи. Следовательно, за счет незначительного снижения отношения сигнал-помеха в предлагаемом способе обработки по сравнению с оптимальным, имеет место существенный выигрыш в сокращении временной протяженности (длительности) выходного сигнала, что весьма важно для обеспечения требуемой разрешающей способности соответствующей радиотехнической системы.

Для прототипа по выражению (16) с учетом (9), (13)и(14) рассчитаны и представлены на фиг. 1,д и фиг. 1,е характеристики зависимости энергетической эффективности λ_ηρ от параметров узкополосных помех χ и γ. В частности, на фиг. 1,д характеристики 17 и 19 построены для сигнала (23), а характеристики 18 и 20 - для сигнала (24) при γ=0,1 и γ=0,3 соответственно; на фиг 1,е характеристики 21 и 23 соответствуют сигналу (23), а характеристики 22 и 24 - сигналу (24) при χ=0 и χ=0,3 соответственно. Поведение данных характеристик имеет такую же тенденцию, как и соответствующих характеристик, представленных на фиг. 1,а и фиг. 1,б в предлагаемом способе. Однако их сравнительный анализ показывает, что в предлагаемом способе обработки имеет место выигрыш по энергетической эффективности (отношению сигнал-помеха по мощности) по сравнению с прототипом в 1,6-1,7 раза при одинаковых входных сигналах и одинаковой помеховой обстановке.

Таким образом, выигрыш в отношении сигнал-помеха, а следовательно и в помехоустойчивости предлагаемого способа обнаружения импульсных радиосигналов в условиях узкополосных помех по сравнению с прототипом свидетельствует о наличии причинно-следственной связи между новой совокупностью существенных признаков и достигаемым техническим результатом.

Структурная схема устройства (фиг. 2), реализующего предлагаемый способ обнаружения сигналов содержит: фильтр 25, согласованный со входным сигналом S_вx(t); устройство 26 формирования АКФ входного сигнала; устройство 27 вычисления оптимальных значений моментов информационного

и опорного

временных отсчетов; устройство 28 формирования и хранения выражения коэффициента корреляции результирующей помехи на основе параметров частных узкополосных помех, полученных с помощью анализатора помех 29, а также его вычисления r(t=τ^*) для промежутка времени

формируемого вычитающим устройством 30; вычитающие устройства 31, 32, формирующие величины (моменты времени)

и

соответственно, где Т_с - длительность исходного (входного) сигнала; суммирующие устройства 33, 34, формирующие величины (моменты времени)

соответственно; устройства 35, 36, 37, 38 взятия отсчетов сигнально-помеховой реализации (при наличии сигнала) или только помеховой реализации (при отсутствии сигнала) на выходе согласованного фильтра в моменты времени

соответственно; элементы 39, 44 задержки сигнала на время

устройства 40, 41 перемножения сигналов; вычитающие устройства 42, 43; суммирующее устройство 45, формирующее момент времени

элемент 46 задержки сигнала на время

суммирующее устройство 47, формирующее результирующий (суммарный) сигнал по соответствующим информационным и опорным отсчетам; пороговое устройство 48; решающее устройство 49.

Устройство работает следующим образом. Импульсный радиосигнал в смеси с узкополосными помехами поступает на объединенные входы согласованного фильтра 25 и анализатора помех 29. В анализаторе помех 29 формируются оценки частот, мощностей и занимаемых полос частот отдельных узкополосных помех, которые поступают на первый вход устройства 28, в котором на основе полученных оценок в соответствии с (8) формируется и хранится выражение коэффициента корреляции результирующей помехи r(t). С первого выхода устройства 28 информация о коэффициенте корреляции помехи поступает на первый вход устройства 27 вычисления, в соответствии с выражениями (12) и (13), оптимальных значений моментов времени информационного

и опорного

отсчетов, на второй вход которого с выхода устройства 26 поступает нормированный сигнал, представляющий собой нормированную автокорреляционную функцию входного сигнала S_вх(t).

С выхода устройства 27 значения

поступают на первый и второй входы вычитающего устройства 30, формирующего разностную величину

которая поступает на второй вход устройства 28 вычисления конкретного для t=τ^* значения коэффициента корреляции r(τ^*) результирующей помехи. Одновременно с выхода устройства 27 сигналы

соответственно, поступают на первые входы вычитающих устройств 31 и 32 и на первые входы суммирующих устройств 33 и 34, на вторые входы которых поступает сигнал, отображающий исходную длительностиь Т_с, а также сигналы

одновременно поступают на оба суммирующих входа сумматора 45. В результате на выходах устройств 31 и 32 формируются величины (моменты времени)

на выходах устройств 33 и 34 формируются величины (моменты времени)

а на выходе устройства 45 формируется величина

Сигналы с выходов устройств 31 и 32 поступают, соответственно, на первые стробирующие входы устройств 37 и 38 взятия информационного

и опорного

отсчетов по переднему фронту выходного сигнала согласованного фильтра, а сигналы с выходов устройств 33 и 34 поступают соответственно на первые стробирующие входы устройств 35 и 36 взятия информационного

и опорного

отсчетов по заднему фронту выходного сигнала согласованного фильтра, на вторые объединенные информационные входы которых поступает сигнально-помеховая реализация (при наличии сигнала) или только помеховая реализация (при отсутствии сигнала) с выхода согласованного фильтра 25. С выхода устройства 35 сигнал информационного отсчета по переднему фронту в момент времени

поступает на первый вход элемента задержки 39 сигнала на время τ^*, на второй вход которого поступает соответствующий управляющий сигнал с выхода вычитающего устройства 30, формирующего величину

Соответствующий данному информационному отсчету сигнал опорного отсчета в момент времени

с выхода устройства 36 поступает на первый вход перемножителя 40, на второй вход которого со второго выхода вычислителя 28 поступает значение коэффициента корреляции результирующей помехи r(τ^*). Сигналы с выходов элемента задержи 39 и перемножителя 40 поступают, соответственно, на первый вход (вход уменьшаемого) и на второй вход (вход вычитаемого) вычитающего устройства 42.

Элемент задержки 39 необходим для совмещения моментов времени информационного и опорного отсчетов. Аналогичная обработка осуществляется со второй парой информационного и опорного отсчетов по переднему фронту сигналов. При этом сигнал информационного отсчета с выхода устройства 37 в момент времени

поступает на первый вход (вход уменьшаемого) вычитающего устройства 43, на второй вход которого (вход вычитаемого) через элемент задержки 44 на время τ^* и перемножителя 41 поступает сигнал опорного отсчета в момент времени

Так же как и при обработке первой пары отсчетов управляющий сигнал на второй вход элемента задержки 44 поступает с выхода вычитающего устройства 30, а на второй вход перемножителя 41 поступает сигнал с выхода вычислителя 28 коэффициента корреляции r(τ^*). С выхода вычитающего устройства 42 и вычитающего устройства 43 через элемент задержки 46 сигналы обработанных отсчетов поступают, соответственно, на первый и второй входы сумматора 47. При этом задержка сигнала в элементе задержки 46 составляет величину

управляющий сигнал для которой формируется в сумматоре 45, на входы которого поступают сигналы

выхода устройства их вычисления 27. На выходе сумматора 47 формируется результирующий информационный сигнал, который поступает на пороговое устройство 48, значение порога которого определяется известным способом по заданной вероятности ложной тревоги. Сигнал с выхода порогового устройства 48 поступает на решающее устройство 49, формирующее решение о наличии или отсутствии сигнала на входе обнаружителя.

Из описания следует, что в состав устройства реализации данного способа обнаружителя сигналов входят следующие блоки: согласованный фильтр 25; устройство 26 формирования АКФ входного сигнала; вычитающие устройства 30, 31, 32, 42, 43; суммирующие устройства 33, 34, 45, 47; устройства перемножения сигналов 40, 41; устройства взятия отсчетов (временного стробирования) сигналов 35, 36, 37, 38; элементы временной задержки сигналов 39, 44, 46; пороговое устройство 48 и решающее устройство 49, которые подробно описаны с конструктивными признаками их технической реализации в книге под редакцией Пестрякова В.Б. Шумоподобные сигналы в системах передачи информации. М.: Сов. радио 1973.

Техническое решение анализатора помех 29 представлено в книге под редакцией Тузова Г.И. Помехозащищенность радиосистем со сложными сигналами. М.: Радио и связь, 1985, с. 212.

Такие операции как формирование и хранение коэффициента корреляции результирующей помехи r(t) в соответствии с выражением (8) и его вычисление для конкретных точечных значений r(τ^*) реализуемые блоком 28, а также вычисление оптимальных значений моментов информационного

и опорного

отсчетов в соответствии с выражением (12) с учетом (13) реализуемые блоком 27, являются элементарными в техническом исполнении и могут быть реализованы в едином специально запрограммированном вычислителе.

Таким образом, предложенный способ обнаружения импульсных радиосигналов не имеет принципиальных ограничений при практическом исполнении и может быть реализован с применением известных функциональных устройств.

Claims (1)

1. Способ неразрушающего обнаружения импульсных радиосигналов в условиях узкополосных помех, включающий оценку средних частот, мощностей и занимаемых полос частот узкополосных помех и согласованную с входным сигналом фильтрацию, по выходному сигналу которой определяют момент времени t₁ взятия информационного отсчета, в котором измеряют мгновенное значение сигнально-помеховой реализации u_СП(t₁), и момент времени t₂ взятия опорного отсчета, в котором измеряют мгновенное значение сигнально-помеховой реализации u_СП(t₂), и вычисляют значение коэффициента корреляции r(t₂-t₁) узкополосной помехи между опорным и информационным отсчетами, на основе которых вычисляют величину r(t₂-t₁)u_СП(t₂) с последующим пороговым принятием решения о наличии или отсутствии сигнала по выбранному критерию, отличающийся тем, что выбирают на противоположном фронте выходного сигнала согласованного фильтра момент времени t₃ взятия дополнительного информационного отсчета, в котором измеряют мгновенное значение сигнально-помеховой реализации u_СП(t₃), и соответствующий ему момент времени t₄ взятия дополнительного опорного отсчета, в котором измеряют мгновенное значение сигнально-помеховой реализации u_СП(t₄), и вычисляют значение коэффициента корреляции r(t₄-t₃) узкополосной помехи между дополнительными опорным и информационным отсчетами и вычисляют величину r(t₄-t₃)u_СП(t₄), на основе которых вычисляют результирующую величину u_рез=[u_СП(t₁)-r(t₂-t₁)u_СП(t₂)]+[u_СП(t₃)-r(t₄-t₃)u_СП(t₄)], которую сравнивают с заданным пороговым значением, на основе чего формируют итоговое решение о наличии или отсутствии сигнала на входе обнаружителя.

Images