close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY 13893

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
BY (11) 13893
(13) C1
(19)
(46) 2010.12.30
(12)
(51) МПК (2009)
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
G 01S 13/00
СПОСОБ АДАПТИВНОГО ОБНАРУЖЕНИЯ
РАДИОЛОКАЦИОННОГО СИГНАЛА
(54)
(21) Номер заявки: a 20081529
(22) 2008.12.02
(43) 2010.08.30
(71) Заявитель: Учреждение образования
"Военная академия Республики Беларусь" (BY)
(72) Авторы: Седышев Сергей Юрьевич;
Калютчик Виталий Степанович; Гуцев Роман Александрович (BY)
(73) Патентообладатель: Учреждение образования "Военная академия Республики Беларусь" (BY)
(56) RU 2237258 C2, 2004.
BY 2994 C1, 1999.
RU 2334249 C1, 2008.
RU 2001415, 1993.
UA 50885 A, 2002.
WO 03/079046 A1.
US 5465095 A, 1995.
US 4542381, 1995.
(57)
Способ адаптивного обнаружения радиолокационного сигнала, характеризующийся
тем, что принятый сигнал в течение k = L периодов повторения, где L - число когерентно
накапливаемых импульсов, записывают в соответствующие ячейки двумерного буфера
памяти размерностью Nr = k, где Nr - общее количество элементов разрешения по дальности, оценивают в скользящем по упомянутым элементам окне среднюю мощность смеси
сигнала с шумом Zˆ по формуле:
BY 13893 C1 2010.12.30
1
где Z m 0 , k
1 L
Zˆ1 = ∑ Zm 0 , k ,
L k =1
- сигнал в m0-м элементе разрешения по дальности в k-м периоде повторения, и
среднюю мощность шума Zˆ0 по формуле:
1 2N
Zˆ0 =
∑ Zm , k 0 ,
2 N m =1
где 2N - количество ячеек скользящего окна оценки;
Фиг. 1
BY 13893 C1 2010.12.30
Z m, k 0 - сигнал в элементах разрешения по дальности в k0-м периоде повторения, вычисляют адаптивный порог обнаружения Z*opt согласно критерию минимума среднего
риска по формуле:
 Zˆ  Zˆ ⋅ Zˆ
Z*opt = ln l0 1  ⋅ 1 0 ,
 Zˆ  Zˆ − Zˆ
0 
1
0

где l0 - весовой коэффициент, рассчитываемый по заданной условной вероятности ложных
тревог, сравнивают каждый записанный в соответствующую ячейку упомянутого буфера
памяти сигнал с адаптивным порогом обнаружения Z*opt и при превышении сигналом
упомянутого порога принимают решение об обнаружении полезного сигнала, характеризующего наличие цели.
Изобретение относится к области радиотехники, в частности к радиолокации, и может
быть использовано для обнаружения сигнала в приемных устройствах радиолокационных
обнаружителей.
Известен способ обнаружения сигнала [1], включающий прием радиолокационным
приемником отраженного сигнала и его сравнение с фиксированным порогом обнаружения.
Недостатком известного способа является увеличение вероятности ложных тревог с
увеличением дисперсии шума [2, С. 6].
Наиболее близким по совокупности признаков к заявляемому способу является способ
адаптивного обнаружения сигнала [2, С. 22], в котором на основе принятого радиолокационным приемником отраженного сигнала оценивают среднюю мощность шума в "скользящем" по элементам дальности окне оценки, вычисляют адаптивный порог обнаружения
согласно критерию Немана-Пирсона и сравнивают принятый сигнал с адаптивным порогом обнаружения.
Недостатком этого способа являются потери в пороговом отношении сигнал/шум при
обнаружении сигнала на фоне стационарного шума, зависящие от размера "скользящего"
окна.
Задачей изобретения является уменьшение потерь в пороговом отношении сигнал/шум при обнаружении сигнала на фоне стационарного шума.
Техническим результатом осуществления способа является выигрыш в пороговом отношении сигнал/шум на 3-5 дБ для вероятностей ложной тревоги Fлт = 10-3-10-6 на фоне
стационарного шума.
Поставленная задача при осуществлении способа решается таким образом, что в способе адаптивного обнаружения радиолокационного сигнала, характеризующегося тем, что
принятый сигнал в течение k = L периодов повторения, где L - число когерентно накапливаемых импульсов, записывается в соответствующие ячейки двумерного буфера памяти
размерностью Nr = k, где Nr - общее количество элементов разрешения по дальности, оценивают в скользящем по упомянутым элементам окне среднюю мощность смеси сигнала с
шумом Zˆ по формуле:
1
1 L
Zˆ1 = ∑ Zm 0 , k ,
L k =1
где Z m0 ,k - сигнал в m0 -м элементе разрешения по дальности в k-м периоде повторения, и
среднюю мощность шума Zˆ по формуле:
0
2
BY 13893 C1 2010.12.30
2N
ˆZ = 1
∑ Zm , k 0 ,
0
2 N m =1
где 2N - количество ячеек скользящего окна оценки;
Z m0 ,k - сигнал в элементах разрешения по дальности в k0-м периоде повторения, вычисляют адаптивный порог обнаружения Z*opt согласно критерию минимума среднего
риска по формуле:
 Zˆ  Zˆ ⋅ Zˆ
Z*opt = ln l0 1  ⋅ 1 0 ,
 Zˆ  Zˆ − Zˆ
0 
1
0

где l0 - весовой коэффициент, рассчитываемый по заданной условной вероятности ложных
тревог, сравнивают каждый записанный в соответствующую ячейку упомянутого буфера
памяти сигнал с адаптивным порогом обнаружения Z*opt и при превышении сигналом
упомянутого порога принимают решение об обнаружении полезного сигнала, характеризующего наличие цели.
На фиг. 1 приведена структурная схема, реализующая заявляемый способ. Обозначения на фиг. 1 следующие:
1 - двумерный буфер памяти;
2 - устройство оценки средней мощности шума;
3 - устройство оценки средней мощности смеси "сигнал + шум";
4 - устройство вычисления порога обнаружения;
5 - устройство сравнения.
На фиг. 2 изображена структура двумерного буфера памяти. Обозначения на фиг. 2
следующие:
L - число периодов повторения;
Nr - число элементов разрешения по дальности (ячеек);
Z m0 ,k - сигнал в тестируемой ячейке буфера памяти;
Zm-1,k0, Zm + 1,k0 - сигналы в неиспользуемых ячейка буфера памяти;
Zm-3,k0, Zm-2,k0, Zm + 2,k0, Zm + 3,k0 сигналы в ячейках буфера памяти, используемые для
получения оценки средней мощности шума Zˆ ;
0
Zm0,k-2, Zm0,k-1, Zm0,k0, Zm0,k + 2 сигналы в ячейках буфера памяти, используемые для получения оценки средней мощности смеси сигнал + шум Zˆ .
1
На фиг. 3 и фиг. 4 представлены характеристики обнаружения, полученные имитационным моделированием в среде символьных вычислений MathCAD 2001i для вероятностей ложной тревоги Fлт = 10-3 и Fлт = 10-6 соответственно, на фоне стационарного шума.
Обозначения на фиг. 3 и фиг. 4 следующие:
D - вероятность правильного обнаружения;
ρ - отношение сигнал/шум;
Dзс - вероятность правильного обнаружения заявляемого способа;
Dс.пр - вероятность правильного обнаружения способа-прототипа;
∆L0,5 - разность в пороговом отношении сигнал/шум по уровню вероятности правильного обнаружения, равному 0,5.
Сущность заявляемого способа заключается в следующем. Для обнаружения сигнала в
m0-м элементе разрешения по дальности сигнал, присутствующий в этом элементе, необходимо сравнить с порогом обнаружения, вычисленным согласно критерия минимума
среднего риска
3
BY 13893 C1 2010.12.30
A*l
≥
Zm 0
Z*opt ,
(1)
<
A*0
где Zm 0 - сигнал в m0-м элементе разрешения по дальности; Z*opt - порог обнаружения, оптимальный по критерию минимума среднего риска; A*l , A *0 - решения о наличии или отсутствии сигнала соответственно. Номер элемента разрешения по дальности
соответствует номеру ячейки буфера памяти.
Оптимальный по критерию минимума среднего риска порог обнаружения получим из
выражения для среднего риска [3]:
~
~
(2)
R = r00P(A 0 ) F + r10 P(A 0 )F + r01P(A1 )D + r11P(A1 )D ,
где P(A0), P(A1) - априорные вероятности отсутствия и наличия цели; rij - стоимость реше~
ния i при условии j(i, j = 0,1); D = 1 − D = P(A1* H1 ) - условная вероятность правильного об~
~
наружения; F = 1 − F = P(A1* H 0 ) - условная вероятность ложной тревоги; D - условная
~
вероятность пропуска цели; F - условная вероятность правильного необнаружения; Hi
(i = 0,1) - гипотезы об отсутствии цели и ее наличии; A*i = (i = 0,1) - решения об отсутствии цели и ее наличии.
Перепишем выражение (2) в виде
R = r00P(A0)(1-F) + r10P(A0)F + r01P(A1)(1-D) + r11 P(A1)D,
(3)
раскроем скобки и приведем подобные. Тогда
(4)
R = [r10-r00]P(A0)F-[r01-r11]Р(А1)D + r00Р(А0) + r01P(A1).
Условные вероятности ложной тревоги и правильного обнаружения являются функциями порога обнаружения Z*:
F( Z* ) =
+∞
∫ ρп ( Z)dZ,
D( Z* ) =
Z*
+∞
∫ ρсп (Z)dZ.
(5)
Z*
В выражении (5) pп(Z), pсп(Z) - плотности распределения вероятностей Z(α) на выходе
устройства обработки при отсутствии и наличии полезного сигнала. Средний риск также
зависит от порога обнаружения Z*:
R(Z*) = [r10-r00]Р(A0)F(Z*)-[r01-r11]Р(A1)D(Z*) + r00Р(A0) + r01P(A1).
(6)
Порог обнаружения Z*, который минимизирует выражение (6), будет оптимальным по
критерию минимума среднего риска. Для нахождения оптимального порога обнаружения
необходимо продифференцировать выражение (6) по Z* и решить уравнение
dR(Z*)/dZ* = 0. Поскольку
+∞
d
dF( Z* ) / dZ* =
ρп ( Z)dZ = −ρп ( Z* ), dD( Z* ) / dZ* = −ρсп ( Z* ), то
dZ* Z∫*
(7)
dR(Z*)/dZ* = -[r10-r00]P(A0)ρп(Z*)+[r01-r11]P(A1)ρсп(Z*)=0.
Таким образом, для нахождения оптимального порога необходимо решить уравнение:
(8)
l0ρп(Z*) = ρсп(Z*)
относительно Z*, где l0 = (r10 -r00)Р(A0)/(r01-r11)Р(А1) - весовой множитель.
При когерентной междупериодной обработке и квадратичном детектировании предпороговая статистика описывается экспоненциальной плотностью вероятности отсчетов
сигнала [4]
ρ( Z) = (1 / Z) exp(− Z / Z),
(9)
где Z - среднее значение Z(α).
Введем плотности распределения вероятностей:
4
BY 13893 C1 2010.12.30
ρп ( Z) = 1 / Z0 exp(− Z* / Z0 ); ρсп ( Z) = 1 / Z1 exp(− Z* / Z1 ),
(10)
где Z0 - среднее значение мощности шума, а Z1 - среднее значение мощности смеси
"сигнал + шум" в проверяемом элементе разрешения.
Подставим (10) в (8):
l0 / Z0 exp(− Z* / Z0 ) = 1 / Z1 exp(− Z* / Z1 ),
(11)
и решим уравнение (11) относительно Z*. Решение уравнения имеет вид:
ZZ
Z*opt = 1n[l 0 Z1 / Z0 ] 1 0 .
(12)
Z1 − Z 0
Для вычисления выражения (12) найдем оценки Zˆ и Zˆ .
1
0
При числе когерентно накапливаемых импульсов L оценка средней мощности смеси
сигнал + шум для m0-го элемента разрешения по дальности в k0-м периоде повторения при
экспоненциальной предпороговой статистике определяется средним значением сигнала в
m0-м элементе разрешения по дальности за k = L периодов повторения
1 L
Zˆ1 = ∑ Z m0 ,k ,
(13)
L k =1
где k - номер периода повторения, Z m0 ,k - сигнал в m0-м элементе разрешения по дальности в k-м периоде повторения.
Оценка средней мощности шума Zˆ для m -го элемента разрешения по дальности по0
0
лучается усреднением шумового сигнала в N элементах разрешения по дальности слева и
N элементах разрешения справа относительно m0-го элемента разрешения в k0-м периоде
повторения [2, С. 22]:
2N
ˆ = 1
Z
(14)
∑ Z m ,k 0 ,
0
2 N m=1
где Z m ,k 0 - сигнал в элементах разрешения дальности в k0-м периоде повторения, предназначенный для оценки средней мощности шума, 2N - число ячеек "скользящего окна",
предназначенных для оценки средней мощности шума. Для исключения влияния боковых
лепестков сигнала, прошедшего внутрипериодную обработку, на оценку средней мощности шума элементы разрешения с номерами (m-1) и (m + 1) в k0-м периоде повторения для
получения оценки средней мощности шума не используются.
На фиг. 2 показано размещение ячеек в буфере памяти, которые используются для
оценки средней мощности шума и средней мощности смеси "сигнал + шум".
Таким образом, заявляемый способ обнаружения сигнала предполагает под собой вычисление оценок средней мощности смеси "сигнал + шум" (13), средней мощности шума
(14), вычисление порога обнаружения согласно критерию минимума среднего риска (12) и
сравнение сигнала в тестируемой ячейке буфера памяти с порогом обнаружения (1).
Способ может быть практически реализован с помощью схемы, представленной на
фиг. 1. Сигнал с выхода квадратичного детектора устройства когерентной междупериодной обработки в течение k = L периодов повторения записывается в ячейки двумерного
буфера памяти 1 размерностью Nr × k, где Nr - общее число элементов разрешения по
дальности. Номера ячеек буфера памяти 1 соответствуют номерам элементов разрешения
по дальности, с которых принимается и в последствии записывается сигнал в k-м периоде
повторения.
Для обнаружения сигнала в m0-й ячейке буфера памяти 1 в k0-м периоде повторения
сигналы с N ячеек буфера памяти 1, находящихся слева, и с N ячеек буфера памяти 1,
находящихся справа от m0-й ячейки буфера памяти 1, k0-го периода повторения поступают на устройство оценки средней мощности шума 2. Сигнал с m0-й ячейки буфера памяти
5
BY 13893 C1 2010.12.30
1 за k = L периодов повторения поступает на устройство вычисления средней мощности
смеси "сигнал + шум" 3. Сигнал с выхода устройства оценки средней мощности шума 2 и
сигнал с выхода устройства оценки средней мощности смеси "сигнал + шум" 3 поступают
соответственно на первый и второй входы устройства вычисления порога обнаружения 4.
Сигнал с выхода устройства вычисления порога обнаружения 4 поступает на первый вход
устройства сравнения 5, на второй вход которого поступает сигнал с m0-й ячейки буфера
памяти 1 k0-го периода повторения. При превышении сигналом на втором входе сигнала
на первом входе устройства сравнения 5 вырабатывается сигнал логической единицы, что
соответствует решению об обнаружении сигнала А1* согласно формуле (1), в обратном
случае на выходе устройства сравнения 5 будет присутствовать сигнал логического поля,
что соответствует решению об отсутствии сигнала A0* в m0-й ячейке буфера памяти 1 k0го периода повторения.
На фиг. 3 и фиг. 4 представлены характеристики обнаружения сигнала на фоне стационарного шума для способа-прототипа Dс.пр и заявляемого способа Dзс. Они показывают,
что применение заявляемого способа обеспечивает выигрыш в пороговом отношении сигнал/шум.
Таким образом, расчет адаптивного порога обнаружения, согласно критерию минимума среднего риска, используя результаты оценки средней мощности смеси "сигнал + шум"
и средней мощности шума, расширяет технические возможности способа-прототипа за
счет выигрыша в пороговом отношении сигнал/шум на 3-5 дБ для вероятностей ложных
тревог Fлт = 10-3-10-6.
Источники информации:
1. Охрименко А.Е. Основы радиолокации и РЭБ. Ч. 1. Основы радиолокации - M.: Воениздат, 1983. - С. 277.
2. Prastitis L.A. Ph. Dissertation. On adaptive censored CFAR detection. - New Jersey Institute of Technology, 1993. - P. 6, 22.
3. Седышев С.Ю. Оптимизация принятия решения по критерию минимума среднего
риска // Прикладная радиоэлектроника. - 2005. - № 4. Т. 4.
Фиг. 2
6
BY 13893 C1 2010.12.30
Фиг. 3
Фиг. 4
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
7
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
288 Кб
Теги
13893, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа