Библиографическое описание:

Орощук И. М., Сучков А. Н. Потенциальные возможности пространственно-корреляционного способа обработки сигналов в декаметровом диапазоне [Текст] // Технические науки: теория и практика: материалы II междунар. науч. конф. (г. Чита, январь 2014 г.). — Чита: Издательство Молодой ученый, 2014. — С. 12-15.

В настоящее время большой интерес представляют радиотехнические системы декаметрового диапазона способные обнаруживать слабый сигнал на фоне помех. Известно, что процесс приема и обработки сигналов сопровождается наличием естественных и искусственных помех. В силу ограниченных возможностей существующих средств обнаружения и связи возникают ситуации, когда уровень сигнала на входе приемника равен или меньше уровня помех. Выделить такой сигнал весьма затруднительно. Существующие технологии обработки сигналов, основанные на расширении базы сигналов, в принципе, позволяют повысить чувствительность радиотехнической системы. Однако, в силу ограниченности ширины спектра сигналов в декаметровом диапазоне из-за наличия дисперсионных искажений, в этом случае резко снижается пропуская способность каналов связи. Решить данную проблему можно за счет применения пространственно-корреляционного способа обработки (рис. 1), который строится на базе дискретной приемной системы, построенной на основе использования антенной решетки (АР) с трактом обработки выходных сигналов, включающим блок усиления, многоканальный аналого-цифровой преобразователь, блок временных задержек, тракт корреляционной обработки и устройство принятия решения (УПР).

В такой системе сигнал источника излучений поступает на пространственно-разнесенные элементы АР. Далее выходные сигналы подвергаются предварительной фильтрации, усиливаются и преобразуются в цифровую форму, откуда они поступают в блок временных задержек. В блоке временных задержек осуществляется формирование характеристики направленности и сканирование пространства путем введения искусственных временных задержек τi во входные сигналы. Ввод временных задержек на каждом этапе сканирования виртуально позиционирует элементы АР на одну линию ортогонально направлению прихода сигнала (см. рис. 1).

В тракте корреляционной обработки производится оценка функций взаимной корреляции (ФВК) сигналов с выходов всех пар элементов АР с последующим их суммированием:

                                               (1)

где  — среднеквадратическое отклонение напряжений сигналов и помех на выходах элементов АР;

 — коэффициенты взаимной корреляции (КВК) напряжений сигналов и помех на выходах разных элементов АР;

 — компенсационные и естественные временные задержки сигналов, обусловленные разностью времени распространения сигнала до элементов АР;

I ‒ количество элементов АР.

Рис. 1. Функциональная схема основных узлов пространственно-корреляционного способа обработки

Выходное напряжение сумматора поступает на вход УПР. Решение о наличии или отсутствии полезного сигнала принимается по результатам сравнения входного сигнала с пороговым уровнем в УПР, величина которого зависит от заданных значений вероятностных характеристик обнаружения сигнала.

В работе [2] получено выражение, определяющее вероятность пропуска цели Pпр для рассмотренного выше пространственно-корреляционного способа обработки при условии гауссового закона распределения обработанного сигнала на входе УПР:

                                                    (2)

где – интеграл вероятности;

 — обратная функция интегралу вероятности;

q — отношение эффективного значения напряжения сигнала к помехе ();

L — количество корреляторов, ;

K — объем выборки.

Из выражения (2) видно, что вероятность пропуска цели Pпр УПР определяется объемом выборки K, количеством корреляторов L, отношением сигнала к помехи q и в большей степени зависит от пространственно-корреляционных свойств сигналов ρs.ij ипомех ρn.ij.

Экспериментальные исследования, проведенные в работе [3], показали, что значения КВК сигналов декаметрового диапазона при пространственном разносе антенн до 500 м остаются высокие (рис. 2) и изменяются в зависимости от частоты сигнала в небольших пределах: 0,81 ÷ 0,85.

Рис. 2. Экспериментальные пространственно-корреляционные зависимости КВК сигналов c центральной частотой 3,2 МГц и помех в области 3,3 МГц

В свою очередь значения пространственно-корреляционной связи помех сохраняются на небольших расстояниях: величина пространственного интервала корреляции составляет не более 4 м (см. рис. 2). При разносе антенн на расстояние, превышающее интервал корреляции помех d0, наблюдается флуктуация амплитуды КВК вдоль оси абсцисс в пределах ± 0,1, причем с расширением полосы фильтрации входных процессов пространственный интервал корреляции и амплитуда флуктуаций КВК уменьшаются.

Используя выявленные закономерности, можно подобрать такую конфигурацию антенной системы, при которой корреляционная связь для сигналов будет высокой, а для помех, в случае расположения элементов АР на расстояниях, превышающих пространственный интервал d0, принимать минимальные значения или взаимно компенсироваться, за счет разных знаков КВК помех [см. второй член выражения (1)]. При выполнении этих условий, вероятностные характеристики пространственно-корреляционного способа обработки в большей степени будут зависеть от пространственно-корреляционных свойств помех ρn.

На рис. 3 приведен пример зависимости вероятности пропуска цели Рпр от величины взаимной корреляции помех ρn.ij, с учетом описанных выше результатов исследований пространственно-корреляционных свойств сигналов и помех для одного из вариантов построения системы с пространственно-корреляционным способом обработки.

Рис. 3. Зависимость вероятности пропуска цели от коэффициента корреляции помех

Из рис. 3 видно, что при снижении взаимной корреляции между помехами ρn.ij уменьшается вероятность пропуска цели Рпр и, соответственно, повышается вероятность правильного обнаружения сигнала (Pобн = 1 — Рпр), в частности, при ρn = 0,1 в системах обнаружения потенциально можно достигнуть вероятность пропуска цели менее Pпр = 10–5.

В работе [3] приведены результаты численного и имитационного моделирования характеристик для одного из вариантов реализации рассматриваемого способа обработки, некоторые результаты которых представлены в табл. 1.

Таблица 1

Параметры и характеристики пространственно-корреляционного способа обработки

Вид характеристики АР

Численные параметры

Число элементов в АР

6

12

Объем выборки

32

32

Вероятность ложной тревоги, Рлт

10–3

10–3

Вероятность пропуска цели, Рпр

10–4

10–4

Чувствительность qвх min, дБ

-2

-4,5

Как видно из табл. 1. данный способ обработки позволяет при отношении уровней сигнала к помехе менее 1 (q= –4,4 ÷ –2 дБ) выделить сигнал на фоне помех, т. е. обладает повышенной энергетической чувствительностью. Кроме того, применение данного способа позволяет существенно снизить количество элементов в АР, по сравнению с действующими системами обнаружения, в которых для достижения представленных в табл.1 характеристик требуется не менее 256 элементов.

Литература:

1.    Киншт Н. В., Долгих В. Н., Орощук И. М. и др. Поисковые исследования принципов построения дискретных антенных систем со случайно расположенными элементами для перспективных радиотехнических средств коротковолнового диапазона: отчет о НИР «Шаланда». — Владивосток: ИАПУ ДВО РАН; ТОВМИ, 2007. — 114 с.

2.    Долгих В. Н., Орощук И. М., Прищепа М. В. Вероятностные характеристики обнаружения сигналов корреляционным пространственным фильтром // Акустический журнал. — М. — 2007. — № 2. — С. 226‒232.

3.    Долгих В. Н. Пространственно-корреляционные свойства сигналов и помех декаметрового диапазона / В. Н. Долгих, И. М. Орощук, А. Н. Сучков; под ред. В. С. Колмогорова. — Владивосток: Филиал ВУНЦ ВМФ «ВМА им. Н. Г. Кузнецова», 2013. — 112 с.: ил.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle