Статистические характеристики многоканального обнаружения радиосигналов в условиях деградации числа приемных каналов

Размещено на http://www.allbest.ru/

СТАТИСТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МНОГОКАНАЛЬНОГО ОБНАРУЖЕНИЯ радиоСИГНАЛОВ в условиях деградации Числа приемных каналов

М.Л. Артемов, Е.Л. Абрамова

Акционерное общество «Концерн «Созвездие» (АО «Концерн «Созвездие»), г. Воронеж

Аннотация

Проведен анализ статистических характеристик обнаружения и группирования спектральных компонент сигналов в условиях «деградации» радиоприемных трактов многоканальных обнаружителей-пеленгаторов.

Ключевые слова: группирование спектральных компонент сигналов, деградация, многоканальный обнаружитель-пеленгатор, обнаружение сигналов; статистическая радиотехника.

Abstract

STATISTICAL CHARACTERISTICS of MULTICHANNEL DETECTION of radio signals in the conditions of degradation of NUMBER reception channels

M. L. Artemov, E. L. Abramova

Joint-stock company «Concern «Sozvezdie», Voronezh, Russia

The analysis of statistical characteristics of detection and grouping spectral a component of signals in the conditions of "degradation" of radio reception paths of multichannel detection-direction finders is carried out.

Keywords: multichannel detection; statistical radio engineering; statistical characteristics; Neumann-Pirsona criterion; refusal of channels, digital processing of signals, radioprospecting, detection, a direction finder.

Для решения задач обнаружения и пеленгования сигналов источников радиоизлучения (ИРИ) в системах радиомониторинга и радиоразведки широко применяются многоканальные моноимпульсные обнаружители-пеленгаторы (ОП) с числом каналов более трех [1-3]. В реальных условиях их функционирования не исключены непредвиденные ситуации, в результате которых один либо несколько радиоприемных трактов ОП становятся неработоспособными - не способными выполнять заданные функции с требуемыми показателями эффективности. Например, в условиях воздействия различного рода поражающих факторов (механических, электромагнитных), а также при исчерпании ресурса наработки [4, 5] составных элементов изделия. Для характеристики режима функционирования ОП с количеством работоспособных радиоприемных трактов меньшим номинального будем использовать термин «деградация».

В ряде практических ситуаций в условиях деградации количество работоспособных каналов ОП является достаточным для обеспечения функционирования ОП в требуемых режимах работы со снижением основных показателей эффективности (пеленгационной чувствительности, ширины рабочего диапазона частот и сектора обзора). Обеспечение функционирования ОП в условиях деградации является эффективным способом повышения показателей надежности радиотехнических систем, (в состав которых входят многоканальные ОП). Ввиду этого разработка методов многоканального обнаружения и пеленгования радиосигналов в условиях деградации ОП является актуальной и практически значимой задачей.

Цель работы - провести анализ статистических характеристик обнаружения и группирования спектральных компонент сигналов в условиях «деградации» радиоприемных трактов многоканальных обнаружителей-пеленгаторов.

Обнаружение спектральных компонент сигналов в условиях деградации ОП

С помощью моноимпульсных ОП осуществляется синхронный прием временных реализаций во всех пространственных каналах в полосе частот мгновенного анализа, оцифровка реализаций и их быстрое преобразование Фурье (БПФ). Каждый отсчет БПФ представляет собой комплексную амплитуду в элементарном частотном канале (ЭЧК), ширина полосы которого обратно пропорциональна длительности временной реализации. Совокупность отсчетов БПФ во всех пространственных каналах ОП, принадлежащих одному и тому же ЭЧК, характеризует распределение падающей на антенную систему (АС) радиоволны на частоте данного ЭЧК.

В рамках решения задачи обнаружения [6, 7] среди совокупности отсчетов БПФ принятой временной реализации определяются «сигнальные» отсчеты, в амплитуде и фазе которых содержится информация об излучаемой ИРИ радиоволне. Ввиду того, что ИРИ излучают модулированные сигналы (а также с учетом влияния весового окна цифровой обработки), сигнал одного и того же ИРИ представлен несколькими элементами разрешения по частоте (ЭЧК), то есть сигналу ИРИ соответствует несколько спектральных отсчетов БПФ. Поэтому по результатам обнаружения выполняется так называемое группирование отсчетов БПФ - их отождествление по принадлежности к сигналу одного и того же ИРИ.

Последующее пеленгование обнаруженного ИРИ осуществляется по результатам совместной обработки всех ЭЧК, образующих спектр сигнала ИРИ. Принадлежащие сигналу отсчеты БПФ характеризуются тем, что соответствующие каждому отсчету плоские радиоволны имеют одинаковые истинные направления прихода. Использование данного признака принадлежности к одному ИРИ в рамках алгоритма группирования отсчетов БПФ приводит к значительным вычислительным затратам, обусловленным необходимостью пеленгования по каждому отсчету БПФ. Ввиду того, что быстродействие ОП является одной из важнейших показателей его эффективности, широкое распространение получили методы группирования отсчетов БПФ, не основанные на предварительном пеленговании по каждому из отсчетов. По каждому из группируемых отчетов БПФ вычисляются взаимные спектры сигналов всех пространственных каналов ОП. По результатам группирования отчетов БПФ их взаимные спектры отсчетов БПФ суммируются и формируется накопленная матрица взаимных энергий [7]. Оценка направления на ИРИ находится в результате глобальной максимизации пеленгационного рельефа [3,9] - функции азимута и угла места, зависящей от характеристик направленности приемных элементов АС ОП.

Рассмотрим моноимпульсный обнаружитель-пеленгатор с - элементной АС произвольной конфигурации. Будем полагать, что выходы АЭ подключены к соответствующим входам -канального радиоприемного устройства, осуществляющего синхронное чтение входной реализации всеми приемными каналами. Количество работоспособных каналов в результате деградации радиоприемных трактов ОП обозначим . Тогда измеренные в каждом -ом наблюдении серии комплексные амплитуды напряжений на выходах АС представим в виде N-компонентного вектора-столбца, ,.; - количество измерений в серии. Вектор-столбец комплексных амплитуд напряжений на выходах антенных элементов, измеренных в -ой серии наблюдения (например, в результате преобразования Фурье), запишем в виде

,(1)

где - комплексные амплитуды напряженности электрической составляющей поля пеленгуемой электромагнитной волны, приходящей с азимутального направления , в центре системы координат, в которой определен ВКДН АС ОП); - -мерный вектор шума, элементами которого являются комплексные центрированные гауссовские случайные величины с матрицей корреляции размера, где - оператор усреднения по вероятности.

С учетом результатов работы [9], решающую статистику многоканального обнаружения, спектральных компонент сигналов в условиях деградации ОП примет вид:

,(2)

где - матрица взаимных энергий напряжений на выходах элементов АС "накопленная" по серии измерений:

, .(3)

Элементы матрицы взаимных энергий, находящиеся вне ее главной диагонали, характеризуют пространственное амплитудно-фазовое распределение электрического поля падающей радиоволны с плоским волновым фронтом, возмущенное аддитивным внутренним шумом радиоприемного устройства и внешними помехами. Элементы главной диагонали характеризуют распределение энергии сигнальной, шумовой и помехой составляющих по пространственным каналам обнаружителя-пеленгатора. Именно учет как канальных, так и взаимных энергий позволяет синтезировать алгоритм обнаружения, учитывающий различие в «природе» сигналов, шумов и помех.

Решение об обнаружении сигнального спектра отчета принимается при выполнении неравенства:

,(4)

где - порог обнаружения, адаптивный к характеристикам направленности ВКДН АС ОП и интенсивности аддитивного шума.

Величина порога выбирается в соответствии с критерием Неймана-Пирсона и обеспечивает требуемую величину вероятности ложной тревоги [9].

По результатам обнаружения спектральных компонент выполняется их отождествление по принадлежности к сигналу одного и того же ИРИ.

В работе [10] в рамках теории статистической радиотехники разработан метод максимально правдоподобного группирования, решающая статистика которого является адаптивной к априорно неизвестной величине интенсивности шума.

С учетом результатов работы [10] решающую статистику метода группирования в условиях деградации ОП запишем в виде

, (5)

- оператор следа матрицы, и матрицы (3), соответствующие и -м спектральным отсчетам.

Решение о группировании принимается в соответствии с правилом

,(6)

где порог группирования является адаптивным к величине неизвестной интенсивности шума. Порог определяется в соответствии с критерием Неймана-Пирсона и обеспечивает требуемое значение вероятности ложной тревоги - вероятности принятия ошибочного решения о необходимости группировании данных отсчетов в случае, когда они не соответствуют сигналу одного и того же ИРИ [11].

В результате выполнения группирования отсчетов БПФ принятой временной реализации определяются количество сигналов в полосе анализа, ширина полосы, центральная частота и энергия каждого сигнала. По отсчетам БПФ, принадлежащим сигналу одного и того же ИРИ, формируется матрица взаимных энергий и выполняется пеленгование ИРИ.

Статистическое моделирование характеристик обнаружения и группирования спектральных компонент сигналов в условиях деградации радиоприемных трактов ОП

В качестве частного случая рассмотрим результаты применения полученных аналитических выражений (2) и (5) для ОП с семиэлементной эквидистантной кольцевой антенной решеткой (ЭКАР) и синфазными приемными каналами. Приемные элементы ЭКАР представляют собой идентичные линейные ненаправленные вертикальные вибраторы с пренебрежимо малыми взаимными влияниями, фазовые центры которых расположены в горизонтальной плоскости.

Для анализа показателей эффективности методов обнаружения и группирования спектральных компонент сигналов в условиях деградации ОП проведено статистическое моделирование для различного количества деградирующих каналов ОП.

Моделирование обнаружения спектральных компонент сигналов.

Моделирование выполнялось в программной среде Matlab R2012А. Аддитивный гауссовский шумовой вектор формировался с помощью встроенных функций на основе генератора псевдослучайных чисел (алгоритм вихрь Mersenne).

Каждый статистический эксперимент состоял в формировании по формуле (3) матрицы взаимных энергий накопленной по реализациям; вычислении решающей статистики обнаружения (5). По результатам проведенных статистических экспериментов (в количестве 10⁶) получена зависимость вероятности ложной тревоги обнаружения от порогового уровня.

На рисунках 1-2 представлена полученная зависимость вероятности ложной тревоги от порогового уровня обнаружения при разных уровнях деградации (количествах деградирующих каналов ОП). Кривые 2-4 соответствуют количеству отказавших каналов 1, 2 и 3 соответственно. Кривые 1 - случай отсутствия деградации для ОП с семиэлементной ЭКАР.

Анализ представленных зависимостей позволяет сделать вывод, что при фиксированной вероятности ложной тревоги порог обнаружения увеличивается с ростом числа деградирующих каналов и с уменьшением количества накоплений матрицы взаимных энергий (3).

Рис. 1 Вероятность ложной тревоги от порога при различных уровнях деградации ОП (количество накоплений )

Рис. 2 Вероятность ложной тревоги от порога при различных уровнях деградации ОП (количество накоплений )

Моделирование группирования спектральных компонент сигналов.

Моделировалось падение на антенную решетку ОП одновременно 2-х идентичных по амплитуде напряженности радиоволн с вертикальной поляризацией с разностью между азимутальными углами прихода равной 10°. Амплитуды сигналов и интенсивность шума обеспечивают требуемое отношение сигнал/шум.

Каждый статистический эксперимент состоял в формировании матрицы взаимных энергий (3) по «зашумленным» смеси когерентным сигналам, соответствующих радиоволнам с заданными направлениями прихода. Для каждой пары значений азимутальных углов прихода количество статистических испытаний составляло 10⁶. По результатам проведенных статистических испытаний определилась зависимость вероятности ложной тревоги группирования от порога группирования, азимутального угла прихода волн и отношения радиуса ЭКАР к длине принимаемой волны.

На рисунке 3 представлена полученная зависимость вероятности ложной тревоги от порогового уровня группирования при деградации одного канала ОП. Кривые 1-4 соответствуют азимутальному углу прихода волны относительно ориентации деградирующего канала 0, 30, 60 и 90° соответственно при отношении сигнал шум равным 15 дБ и отношении радиуса решетки к длине волны, равном единице.

Рис. 3. Зависимость вероятности ложной тревоги при группировании от порогового уровня деградации при деградации одного канала

По представленным на рис.3 зависимостям видно, что значение порога группирования при заданной вероятности ложной тревоги группирования зависит от азимутального направления прихода волны; что обусловлено изменением количества направлений симметрии ЭКАР при деградации ОП.

В таблице 1 представлены значения среднего (по всем азимутальным направлениям с шагом в 10°) порога группирования при фиксированных значениях вероятности ложной тревоги группирования при отношении сигнал шум равным 15 дБ и отношении радиуса решетки к длине волны, равном единице при отказе двух каналов и разном взаимном расположении их (рис 4). В первом случае для двух соседних отказавших каналах, во втором - для каналов расположенных через один, третий случай, если каналы расположены через 2 для ОП с семиэлементной ЭКАР.

Рис. 4. Взаимные расположения двух деградирующих каналов

Таблица 1 - Значения среднего порога группирования при отказе двух каналов

пеленгатор амплитуда радиоволна сигнальный

Анализ значений таблицы 1 показывает, что порог группирования зависит не только от количества отказавших каналов, но и от их взаимного расположения.

1 Проведен анализ статистических характеристик обнаружения и группирования спектральных компонент сигналов в условиях деградации радиоприемных трактов многоканальных обнаружителей-пеленгаторов.

2 Полученное выражение для решающей статистики метода обнаружения и группирования спектральных компонент в условиях деградации числа приемных каналов позволяет проводить количественный анализ показателей эффективности функционирования в условиях деградации ОП с антенной системой произвольной конфигурации и характеристиками направленности антенных элементов.

3 Обеспечение функционирования ОП в условиях деградации позволяет повысить показатели надежности радиотехнических систем, в состав которых входит обнаружитель-пеленгатор.

Литература

1.Артемов М.Л., Афанасьев О.В., Сличенко М.П. Обнаружение и пеленгование источников радиоизлучений в рамках теории статистической радиотехники// Радиотехника, 2016, №5. - С. 26-40.

2.Артемов М.Л., Афанасьев О.В., Сличенко М.П. Методы статистической радиотехники в современном решении задач радиомониторинга // Антенны, 2016, №6. С. 55-62.

3.Дмитриев И.С., Сличенко М.П. Максимально правдоподобное обнаружение и оценивание направления прихода и амплитуды напряженности радиоволны с помощью многоканального радиопеленгатора с антенной системой произвольной конфигурации // Антенны, 2011. № 5. - С. 59-64.

4.Левин Б.Р. Теория надежности радиотехнических систем (математические основы). М.: Сов. радио, 1978. - 264 с.

5.Матвеевский В.Р. Надежность технических систем. Учебное пособие - Московский государственный институт электроники и математики. M., 2002 г. - 113с.

6.Тихонов В.И. Статистическая радиотехника. М.: Советское радио, 1966. 678с.

7.Артемов М.Л., Абрамова Е.Л., Сличенко М.П. Пространственно многоканальное адаптивное обнаружение радиосигналов в частотной области при неидентичных каналах приема // Радиотехника, 2014. №11. - С. 5-10.

8.Артемов М.Л., Борисов С.Г., Сличенко М.П. Характеристики максимально правдоподобного обнаружения радиосигналов моноимпульсными обнаружителями-пеленгаторами с антенной системой произвольной конфигурации // Радиотехника, 2014. №11. - С. 11-14.

9.Артемов М.Л., Сличенко М.П. Адаптивный многосигнальный алгоритм совместного обнаружения и пеленгования плоских монохроматических радиоволн с помощью многоканального радиопеленгатора с антенной системой произвольной конфигурации// Антенны, 2014. № 5. С.50-54.

10.Артемов М.Л., Абрамова Е.Л. Способ группирования спектральных компонент сигналов источников радиоизлучения моноимпульсными обнаружителями-пеленгаторами на фоне шума неизвестной интенсивности // Антенны, 2017. № 5. С.46-52.

11.Репин В.Г, Тартаковский Г.П. Статистический синтез при априорной неопределенности и адаптация информационных систем. М.: Сов. радио, 1977. 432 с.

References

1.Artyomov M. L., Afanasyev O. V., Slichenko M. P. Detection and direction finding of radiants of radio emissions within the limits of the theory of statistical radio engineering// Radiotekhnika, 2016, №5. P. 26-40.

2.Artyomov M. L., Afanasyev O. V., Slichenko M. P. Methods of statistical radio engineering in a modern solution of problems of radiomonitoring // Antenny, 2016, №6. P. 55-62.

3.Dmitriev I.S., Slichenko M.P. Maximum likelihood detection and an estimation of a direction of arrival and amplitude of strength of a radio-wave by means of a multi-channel radiodirection finder with antenna system of an arbitrary configuration//Antenny, 2011. № 5. P. 59-64.

4.Levin B.R. Teoriya nadezhnosty radiotechnichaskych system (matematicheskie osnovy). M.: Sov. radio,1978. - 264 p.

5.Mtvievskiy V.R. Nadezhnost technicheskich system. The manual - Moskovskiy gosudarstvenyi institute electrronici I matematiky. M., 2002 г. - 113 p

6.Tihonov V.I. Statisticheskay radiotechnika. М.: Sov. radio, 1966. 678 p.

7.Artemov M.L., Abramova E.L., Slichenko M.P. Spatial multichannel adaptive detection of radio signals in the frequency region with non-idential receiving channels // Radiotekhnika, 2014. №11, P.5-10.

8.Artyomov M.L., Borisov S.G., Slichenko M.P. Performances of maximum probable detection of radio signals monoimpulse detection-direction finders with antenna system of an arbitrary configuration//Radiotekhnika, 2014. №11. P. 11-14

9.Artyomov M. L., Slichenko M. P. Adaptive multialarm algorithm of joint detection and direction finding of plane monochromatic radio waves by means of the multichannel radio direction finder with antenna system of arbitrary configuration// Antenny, 2014. №5. P.50-54.

10.Artemov M.L., Abramova E.L. Method of grouping of spectral components of signals of sources of a radio-frequency radiation monopulse searchers-direction finders against noise of unknown intensity // Antenny, 2017. № 5 - P. 46-52.

11.Repin V.G., Tartakovsky G.P. Statistical synthesis at a priori indeterminacy and adaptation of intelligence systems. - M.: Sovetskoe radio, 1977. - 432 p.

Размещено на Allbest.ru