Обнаружение полностью известного (детерминированного) сигнала

Обнаружение полностью известного (детерминированного) сигнала

Обнаружение полностью известного (детерминированного) сигнала

Рассмотрим задачу оптимального обнаружения сигнала S(t). Точно известно с плотностью вероятностей P(s) при наличии аддитивного гауссовского шума, входное воздействие:

.

Распределение  также нормальное и может быть получено простой подстановкой  в выражение для нормального распределения шума .

Будем считать цель точной и амплитуда сигнала на входе приемника известна. Если амплитуда неизвестна, то после приема необходимо провести дополнительную операцию усреднения полученных результатов по всем значениям амплитуды с учетом их вероятностей.

Полагаем, что амплитуда сигнала от момента излучения до момента приема не изменяется и равна . Отраженный сигнал запаздывает на время , т.е. можно записать: . Этот сигнал существует на входе приемника в течение времени Т. Будем полагать, что дальность до цели известна. Тогда, зная функцию и, придав ей некоторый сдвиг , можно образовать разность , которая является чистым шумом при условии, что временной сдвиг  функции  равен известному времени запаздывания .

Рисунок 1

Выберем одно из значений принимаемого сигнала  в произвольный момент времени . . Разность  подчиняется нормальному закону распределения:

;

Обычно сигнал вместе с шумом ограничен по полосе частот от 0 до . Тогда, согласно теории отсчетов Котельникова, функция  на интервале  однозначно определяется  своими значениями , которые отсчитываются через интервалы времени , и которые являются независимыми величинами. Применим теорему умножения вероятностей для независимых и совместных событий:

, получим:

.

Переходя от дискретного представления к непрерывному, и заменяя сумму интегралом, получим:

, где:

, и  - функция правдоподобия.

Для нахождения отношения правдоподобия необходимо найти , т.е. условную вероятность сигнала  в отсутствии цели. Это можно получить, подставляя в полученное выражение , т.е.

.

Найдем отношение правдоподобия:

;

В этом выражении:  - энергия входного сигнала,

 - корреляционный интеграл.

Итак: .

Для вынесения решения необходимо сравнить  с порогом . Если:

 - сигнал есть,  - сигнала нет.

С учетом того, что в общем случае между и  может существовать временной сдвиг, развернутое выражение для корреляционного интеграла имеет вид:

;

Таким образом, корреляционный интеграл представляет собой функцию взаимной корреляции между входным воздействием и сформированным в месте приема опорным сигналом , нормированную к спектральной плотности шумов. Видно, что максимизация отношения правдоподобия может быть сведена к максимизации корреляционного интеграла .

Т.к.  - случайная функция с нормальным законом распределения, то  тоже нормально распределенная случайная величина, характеризуемая математическим ожиданием  и дисперсией  при отсутствии сигнала . Т.к. , то:

;

При приеме сигнала: ; .

Следовательно, .

При  .

Дисперсия  как при наличии, так и при отсутствии сигнала, определяется только уровнем шумов. Поэтому для обеих ситуаций она одинакова и равна: .

По этим данным легко построить законы распределения корреляционного интеграла при отсутствии  и наличии  сигнала, а по ним найти значение условных вероятностей и ошибок обнаружения.

Итак, правила принятия решения:

 - сигнал есть (т.е. ;  - сигнала нет (т.е. .

Вероятность ложной тревоги равна площади под кривой  справа от : . Вероятность пропуска цели равна площади под кривой  слева от  :

Рисунок 2

Используя рисунок а), можно определить каким должно быть оптимальное значение порога  для частных критериев обнаружения.

Идеальный наблюдатель - минимум вероятности общей ошибки, равную взвешенной сумме вероятности пропуска цели и вероятности ложной тревоги.

Итак, для идеального наблюдателя при равной вероятности наличия и отсутствия сигнала, оптимальным будет , при котором сумма площадей  и  минимальна. Такой  соответствует абсцисса точки пересечения  и  (рис. б).

Критерий Неймана-Пирсона - максимальная вероятность правильного обнаружения при заданной вероятности ложной тревоги. Порог выбирается из условия:

.

Рисунок 3

Если при этом вероятность правильного обнаружения Д будет ниже заданной, при выбранном решающем правиле, единственным средством ее увеличения является увеличение энергии сигнала Э, при котором кривая  сместится вправо, увеличивая Д (штриховая линия).

Однако, для ряда задач существенно более эффективным является иное правило решения, соответствующее критерию последовательного обнаружения. Оно позволяет сократить общее время обнаружения, или обеспечить заданную вероятность правильного обнаружения, при меньшем энергетическом потенциале радиолинии. Особенность этого критерия заключается в том, что он не только определяет процедуру принятия решения, но и задает режим работы самой РЛС. Для этого критерия важно знание двух порогов:  и .

Если:          - сигнала нет (S=0);

 - сигнал есть (S).

 - не знаю, продолжаю наблюдение.

Эти соотношения можно рассмотреть на следующем рисунке:

Рисунок 4

Оптимальное значение порогов определяется приближенными соотношениями между ординатами кривых  и :

 - соответствует: ;

 - соответствует: .

Для ситуаций, когда критерий последовательного обнаружения наиболее эффективен, суммарное время наблюдения или энергопотенциал радиолинии оказываются много меньшими, чем при фиксированном и одинаковом времени наблюдения при каждом шаге. Это особенно важно для радиосистем углового обзора, При большом отношении вектора обзора к угловому сечению радиолуча (ширина ДН), что соответствует большему числу элементов разрешения, в каждом из которых надо принять решение о наличии или отсутствии сигнала. Время нахождения луча на данном направлении и число сигналов (принимаемых и излучаемых) зависит от результатов наблюдения и для наблюдения случайно. Такая процедура носит название метод динамического программирования образа. Т.е, если , луч антенны находится в данном направлении до тех пор, пока не будет пересечен один из порогов.

Метод динамического программирования применяется в системах обзора безинерционных антенн (с электрическим сканированием), а так же может применяться при поиске цели автодальномером.

Характеристики обнаружения

В ходе проектирования радиосистемы, и, в частности, при определении ее предельной дальности действия, необходимо определять превышение уровня сигнала над уровнем шума

,

которое при заданной вероятности ложной тревоги обеспечивает требуемую вероятность правильного обнаружения, а также решать обратную задачу. Для этой цели применительно к критерию Неймана-Пирсона были рассчитаны характеристики обнаружения. Это семейство зависимостей  при различных значениях  (вероятность ложной тревоги). В результате вычисления интегралов, получим:

;

;

Было получено семейство кривых, приведенных на рисунке:

Рисунок 5

Для любой заданной вероятности обнаружения  необходимое превышение  может быть определено, если задана вероятность ложной тревоги.

Рисунок 6

Структура оптимального обнаружителя

Оптимальный обнаружитель должен сформировать корреляционный интеграл:

;

и сравнить его с порогом, который соответствует структурной схеме обнаружителя:

Рисунок 7

Здесь  - формируемый в приемнике опорный сигнал, подобный принимаемому. Такой обнаружитель получил название корреляционный приемник.

Данная структура приемника остается оптимальной для любого из рассмотренных критериев. Различаются только число и уровни порогов.

Оценим отношение сигнал/шум на выходе такого приемника. В общем случае входное воздействие и корреляционный интеграл определяется соотношениями:  и

.

Где:

 - опорный сигнал, совпадающий по форме с принимаемым (с учетом доплеровского сдвига частоты);

 - задержка опорного и принимаемого сигналов соответственно;

; .

сигнальная и шумовая составляющая сигнала на входе блока сравниваются с порогом. При совпадении не только по форме, но и по времени принимаемого и опорного сигналов, т.е. при   достигает максимума. Тогда:

Ни один приемник в тех же условиях не может дать большего превышения.

Основной и самой важной особенностью такого приемника является независимость его эффективности и, в частности, выходного превышения от формы сигнала. Важна лишь энергия сигнала. Как ясно из приведенных выше соотношений, основным характерным ограничением для него является необходимость выполнения условия , т.е. синхронизацию опорного и принимаемого сигналов с точностью до фазы их высокочастотного заполнения. Были поиски другой структуры оптимального приемника, сохраняющие все преимущества, но не требующие жесткой синхронизации. Выяснилось, что все используемые с зарождения радиотехники методы фильтрации сигнала, сводились к использованию фильтрующих свойств корреляционного интеграла. Различия заключались лишь в формировании опорного сигнала.

Простейший интегратор:

интегратор сигнал фильтр детерминированный

Рисунок 8

 - выделяется постоянная составляющая входного воздействия  на интервале .

Синхронный детектор:

Рисунок 9

Синхронный детектор реализует корреляционный интеграл в явном виде, т. к. квазистационарное изменение амплитуды сигнала  на форме сигнала в пределах интервала  не сказывается, и опорный гармонический сигнал по форме совпадает и синфазен с полезным АМ сигналом .

Линейный фильтр:

Рисунок 10

Менее очевидна корреляционная природа фильтрующих свойств пассивного линейного фильтра и, в частности, одиночного резонансного контура. Рассмотрим этот пример более подробно. Как в любой линейной цепи с постоянными параметрами, выходной сигнал резонансного контура  связан с входным воздействием  интегралом Дюамеля:

.

Здесь g(t) - импульсный отклик фильтра, т.е. его собственные колебания, возбужденные единичным входным импульсом. По своей структуре этот интеграл с точностью до постоянно его множителя совпадает с корреляционным. Причем, роль опорного сигнала здесь играет импульсный отклик. Контур способен отбирать из  лишь те спектральные составляющие, которые совпадают с составляющими спектра его собственных колебаний  как опорного сигнала.

Известно, что для контура с резонансной частотой  и затуханием  , представляет собой затухающую синусоиду. Ее амплитудный спектр:

по форме точно совпадает с резонансной кривой контура обнаружителя.

Литература

1.   Современная радиолокация. Анализ, расчет и проектирование. Под редакцией Кобзарева Ю.В., М., 2009 г.-704 стр.

2.      Дулевич В.Е. Теоретические основы радиолокации. М., 2008 г. - 608 стр.