автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Разработка и исследование адаптивного разностного панорамного обнаружителя радиосигналов

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РФ ПО СВЯЗИ

И ИНФОРМАТИЗАЦИИ СИБИРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ И ИНФОРМАТИКИ

На правах рукописи

ПЕТРОВ Вячеслав Александрович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ АДАПТИВНОГО РАЗНОСТНОГО ПАНОРАМНОГО ОБНАРУЖИТЕЛЯ РАДИОСИГНАЛОВ

Специальность 05.12.13 - Системы и устройства

радиотехники и связи

§

«а.

О?

•"V \

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новосибирск 1998

Работа выполнена в Сибирской государственной академии

телекоммуникаций и информатики.

Научный руководитель - кандидат технических наук,

доцент Гарсков Г.Х.

Научный консультант - кандидат технических наук,

доцент Чернецкий Г. А.

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор Фалько А.И. - кандидат технических наук, старший научный сотрудник Пушной Б.М.

Ведущая организация указана в протоколе заседания диссертационного Совета.

Защита состоится 49 "/:,г.г < 1998 г: вчасов на заседании диссертационного Совета Д 118.07.01 в Сибирской государственной академии телекоммуникаций и информатики.

Адрес: 630102, Новосибирск, ул. Кирова, 86

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии.

Автореферат разослан " сщ/ишА 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время в условиях интенсивного развития систем радиосвязи с подвижными объектами существенно возрастает загрузка во всех диапазонах радиочастот, поэтому необходим эффективный контроль за правильностью использования частотного ресурса.

Таким контролем занимаются государственные службы, оснащенные аппаратурой для проведения радиомониторинга. Основу этой аппаратуры составляют панорамные обнаружители радиосигналов, с помощью которых решаются следующие задачи:

- оценка загруженности частотного диапазона;

- обнаружение сигналов новых излучений;

- измерение параметров регистрируемых электромагнитных излучений.

Принципы построения панорамных обнаружителей радиосигналов были заложены в трудах академика Харкевича А.А., развитие темы продолжено в работах Мартынова В.А., Селихова Ю.И. Вопросам последовательного спектрального анализа посвящены работы Шустова Э.И., Хабаровой Л.В., Ицковича Ю.С., Терпугова Н.В.

По способу получения спектральной характеристики группового радиосигнала в контролируемом участке диапазона частот панорамные обнаружители радиосигналов классифицируют на аналоговые и цифровые. Первые подразделяют на параллельные и последовательные. Аналоговые устройства получения спектральной характеристики группового радиосигнала в контролируемом участке диапазона частот являются наиболее дорогостоящими составными частями панорамных обнаружителей радиосигналов. В цифровых панорамных обнаружителях, реализованных на ЭВМ, получение спектральной характеристики группового радиосигнала в контролируемом участке диапазона частот требует до 80% вычислительного ресурса системы. Стремление снизить стоимость и уменьшить необходимый вычислительный ресурс предопределило значительный интерес разработчиков панорамных обнаружителей радиосигналов к способам получения спектральной характеристики группового радиосигнала, в то же время способам обработки полученной

характеристики с целью выявления сигналов новых излучении не уделяется должное внимание.

В известных панорамных обнаружителях параллельного и последовательного типов полученная реализация спектральной характеристики группового радиосигнала в контролируемом участке диапазона частот сравнивается с некоторым фиксированным порогом обнаружения, который устанавливается "вручную". Однако в условиях меняющейся помеховой обстановки это приводит к снижению эффективности контроля за работой радиосредств, а именно:

- при превышении амплитудой спектральной составляющей сигнала действующего излучения порога обнаружения соответствующий элементарный частотный канал считается занятым, поэтому сигнал нового излучения в этом элементарном частотном канале не может быть обнаружен;

- при медленных замираниях из-за изменений амплитуды спектральной составляющей сигнал действующего излучения будет неоднократно регистрироваться как сигнал нового излучения;

- при кратковременных перерывах в работе источника действующего излучения последний будет также неоднократно регистрироваться как сигнал нового излучения.

- практически невозможно поддерживать "вручную" оптимальное значение порога обнаружения в условиях меняющейся помеховой обстановки.

Таким образом, разработка и исследование алгоритмов обработки совокупности реализаций спектральной характеристики группового радиосигнала в контролируемом участке диапазона частот для обнаружения сигнала нового излучения является актуальной темой. Исследованию этих вопросов посвящена реферируемая диссертационная работа.

Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка и исследование алгоритмов обработки совокупности реализаций спектральной характеристики группового радиосигнала в полосе обзора для решения следующих задач:

- повышение вероятности обнаружения сигналов новых излучений на фоне действующих;

- снижение вероятности ложного обнаружения сигналов известных радиостанций в условиях медленных замираний;

- снижение вероятности ложного обнаружения сигналов известных радиостанций при их повторном выходе в "радиоэфир";

- автоматическое регулирование порога обнаружения сигналов новых излучений по критерию допустимой интенсивности потока тревог.

Методы исследования. В работе использован математический аппарат вычислительной математики, теории вероятности и случайных процессов, теории адаптивных систем, теории принятия решений, моделирования на ЭВМ.

Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие научные результаты:

1. Предложен алгоритм формирования усредненной оценки амплитуды спектральной составляющей в полосе обзора. Исследованы ее статистические характеристики при действии аддитивных помех. Получены аналитические выражения для математического ожидания и функции корреляции усредненной оценки амплитуды спектральной составляющей как многомерной нестационарной случайной величины.

2. Предложен и исследован алгоритм обнаружения сигнала нового излучения, основанный на вычислении приращения усредненной оценки амплитуды спектральной составляющей между т-ой (текущей) итерацией и (т-г)-ой итерацией, где г - число итераций обнаружения. Показана возможность оптимизации параметров разрабатываемого адаптивного разностного панорамного обнаружителя радиосигналов по критерию Неймана-Пирсона двумя способами, каждый из которых соответствует виду службы, действующей в полосе обзора, - для диапазона подвижных служб и для диапазона фиксированных служб.

3. Для диапазона фиксированных служб, в котором существенным фактором, увеличивающим вероятность ложного обнаружения,

являются медленные замирания, предложен метод оптимизации параметров адаптивного разностного панорамного обнаружителя радиосигналов по максимальному значению порога обнаружения.

4. Для диапазона подвижных служб, в котором одни и те же радиостанции многократно выходят в "радиоэфир", предложен метод оптимизации параметров адаптивного разностного панорамного обнаружителя радиосигналов, исходя из допустимого времени паузы в работе станции, что снижает вероятность ложного обнаружения уже известного источника.

5. Предложен способ оптимизации адаптивного порога обнаружения сигналов новых излучений по критерию допустимой интенсивности потока выдаваемых тревог.

Практическая ценность. Разработаны и реализованы в опытном образце комплекса обнаружения алгоритмы формирования усредненной оценки амплитуды спектральной составляющей, ' обнаружения сигнала нового излучения, методы расчета оптимальных параметров адаптивного разностного панорамного обнаружителя радиосигналов по виду служб, действующих в полосе обзора, порога обнаружения сигналов новых излучений по критерию допустимой интенсивности выдаваемых тревог. Это позволило снизить вероятность ложных тревог, повысить уровень автоматизации управления комплексом обнаружения и улучшить его эксплуатационные характеристики.

Имеется акт о внедрении адаптивного разностного панорамного обнаружителя радиосигналов в опытном образце комплекса обнаружения.

Апробация результатов работы. Основные результаты работы обсуждались на Международной НТК "Информатика и проблемы телекоммуникаций" (Новосибирск, 1995), Российской НТК "Информатика и проблемы телекоммуникаций" (Новосибирск, 1996), Третьей Международной НТК "Актуальные проблемы электронного приборостроения" (Новосибирск, 1996), Международной • НТК "Информатика и проблемы телекоммуникаций" (Новосибирск,

1997), Российской НТК "Информатика и проблемы телекоммуникаций" (Новосибирск, 1998).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ, и получена приоритетная справка на изобретение.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы, пяти приложений и содержит 136 страниц, в том числе 23 рисунка. В списке литературы 56 наименований.

Основные положения, выносимые на защиту;

1. Способ формирования усредненной оценки амплитуды спектральной составляющей, обеспечивающий в условиях ограничения на время обнаружения сигнала нового излучения более высокую помехозащищенность, чем метод скользящего среднего.

2. Способ обнаружения сигнала нового излучения, основанный на сравнении приращения усредненной оценки амплитуды спектральной составляющей между ш-ой (текущей) итерацией и (т-г)-ой итерацией, где ъ - число итераций обнаружения, с порогом обнаружения.

3. Алгоритм оптимизации параметров адаптивного разностного панорамного обнаружителя радиосигналов в диапазоне фиксированных служб по критерию максимального значения порога обнаружения.

4. Алгоритм оптимизации параметров адаптивного разностного панорамного обнаружителя радиосигналов в диапазоне подвижных служб, исходя из времени допустимой паузы в работе радиостанции.

5. Способ корректировки адаптивного порога обнаружения сигналов новых излучений по критерию допустимой интенсивности потока тревог.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность выбранной темы, формулируются цель и задачи исследования.

В первом разделе рассмотрены основные характеристики панорамных обнаружителей радиосигналов и их основные типы. Выполнен их сравнительный анализ, отмечены достоинства и недостатки. Показана эффективность применения средств вычислительной техники для получения спектральной характеристики полосы обзора и разработки алгоритмов обнаружения.

В разработанном адаптивном разностном панорамном обнаружителе радиосигналов обнаружение сигнала нового излучения осуществляется в два этапа: первый этап - энергетическое обнаружение сигнала нового излучения с минимальной регистрируемой мощностью; второй этап - принятие пользователем решения о том, что выявленная тревога соответствует сигналу нового излучения. Предложено величину минимальной регистрируемой мощности оценивать по допустимой интенсивности потока тревог на выходе адаптивного разностного панорамного обнаружителя радиосигналов, то есть с учетом "пропускной способности" системы обнаружитель -человек.

Предложено на первом этапе процедуры обнаружения принимать решение о появлении сигнала нового излучения в элементарном частотном канале путем сравнения приращения усредненной оценки амплитуды спектральной составляющей за определенное число итераций с пороговым значением.

Во втором разделе предложен и исследован формирователь усредненной оценки амплитуды спектральной составляющей, алгоритм формирования которой представлен выражением:

Л Л _ Л

ст = С т-1 + а(Ст - С „.О, (1)

где Ш - порядковый номер итерации;

Ст - амплитуда спектральной составляющей;

Ст - усредненная оценка амплитуды спектральной составляющей;

а - весовой коэффициент.

Показано, что при наличии аддитивного шума усредненная оценка амплитуды спектральной составляющей является многомерной нестационарной случайной величиной, номер сечения которой соответствует номеру итерации. Получена зависимость математического ожидания усредненной оценки амплитуды спектральной составляющей М(Ст) от номера итерации т при отсутствии сигнала нового излучения в элементарном частотном канале:

М(Ст) = Со + (М(С)-Со)(1-(1-а)т), (2)

где Со - начальное значение усредненной оценки амплитуды спектральной составляющей;

М(С)- математическое ожидание амплитуды спектральной составляющей.

Получена и исследована корреляционная функция усредненной оценки амплитуды спектральной составляющей при условии отсутствия сигнала нового излучения в элементарном частотном канале:

К(т,т+к) = И(С) - а)к-(1 - а)2т+к), (3)

2-а

где К(т,т+к)' функция корреляции между значениями усредненной оценки амплитуды спектральной составляющей на т-ой и (/И+Л)-ой итерациях;

О(С) - дисперсия амплитуды спектральной составляющей.

Определены области значений весового коэффициента а, в которых:

а) алгоритм формирования усредненной оценки амплитуды спектральной составляющей является сходящимся (0<а<2);

б) алгоритм формирования усредненной оценки амплитуды спектральной составляющей дает выигрыш в отношении сигнал/ шум (0<а<1);

в) функция плотности распределения вероятности усредненной оценки амплитуды спектральной составляющей на отдельной итерации удовлетворительно аппроксимируется нормальным законом распределения (0<а<0,8).

Проведен анализ статистических свойств усредненной оценки амплитуды спектральной составляющей при появлении сигнала нового излучения в элементарном частотном канале. Получены аналитические выражения: .

а) математическое ожидание усредненной оценки амплитуды

А

спектральной составляющей М(Ст+к)\

М(Ст,к)=М(С0^(М(С(2))-М(С(1)))(1-(1-а)к), (4)

где М(С(1)) - математическое ожидание амплитуды спектральной составляющей до появления сигнала нового излучения;

М(С<2)) - математическое ожидание амплитуды спектральной составляющей при появлении сигнала нового излучения;

т - число итераций, прошедших до появления сигнала нового излучения (т—>°о);

к - число итераций, прошедших с момента появления сигнала нового излучения.

б) корреляционная функция между значениями усредненной оценки амплитуды спектральной составляющей до и после появления сигнала нового излучения К(т~1,т+к):

К(т4,т+к) = ЩСа))(1 - а)м, (5)

2-0

где В(С(1)) - дисперсия амплитуды спектральной составляющей до появления сигнала нового излучения.

в) корреляционная функция между значениями усредненной оценки амплитуды спектральной составляющей после появления сигнала нового излучения К(т+к,т+к+1'):

где 0(С(2)) - дисперсия амплитуды спектральной составляющей при появлении сигнала нового излучения.

Проведен сравнительный анализ эффективности предложенного алгоритма формирования усредненной оценки амплитуды спектральной составляющей с методом скользящего среднего, который считается асимптотически оптимальным. Сделан вывод, что предложенный метод формирования усредненной оценки амплитуды спектральной составляющей обеспечивает в условиях ограничения на время обнаружения сигнала нового излучения выигрыш в отношении сигнал/шум для усредненной оценки амплитуды спектральной составляющей от 1,5 до 2,5 раз по сравнению с методом скользящего среднего.

Третий раздел посвящен исследованию формирователя сигнала тревоги, в котором принимается решение о наличии сигнала нового излучения в элементарном частотном канале на основе сравнения приращения усредненной оценки амплитуды спектральной составляющей (далее - приращения) между т-ой (текущей) итерацией и (ш-г)-ой итерацией, с порогом обнаружения:

К(т+к,т+кМ)= --(ЩС{2])(1 - а)1 -

а

2-а

- (1 - а)2к+1(0(Ст) - 0(С(1)))},

(6)

(7)

где 1 - число итераций обнаружения;

Лт - приращение усредненной оценки амплитуды спектральной составляющей на /И-ой итерации.

В качестве критерия оптимизации параметров формирователя сигнала тревоги принят критерий Неймана-Пирсона.

Доказано, что приращение имеет наибольшее математическое ожидание и отношение сигнал/шум на (т+7)-ой итерации для появления сигнала нового излучения на (т+1)-ой итерации. Поэтому (т+г)-ая итерация принята в качестве расчетной для последующей оптимизации параметров формирователя сигнала тревоги.

Показано, что приращение на расчетной итерации представляет собой случайную величину, подчиняющуюся нормальному закону со следующими статистическими характеристиками:

Математическое ожидание:

М(Ат+1) = (М(С(2)) - М(С(1)))(1 - (1 - а)*), (8)

Дисперсия:

ЩЛт+г) = ~^(э(С<2))(1 - (1 - а)2г) + 2-а

+0(С(1))(1+(1 - а)21)-2 0(С(1))(1 - а)1), (9)

В соответствии с заданной вероятностью обнаружения сигнала нового излучения в элементарном частотном канале вычисляется оптимальное значение порога обнаружения:

Аа = М(Ат+г) + кх ^0(Ат+1) , (10)

где кх - квантиль стандартного нормального отклонения для вероятности пропуска сигнала нового излучения.

Показано, что для случая аддитивных шумов не существует оптимального соотношения между параметрами формирователя сигнала тревоги с точки зрения минимизации вероятности ложной тревоги при заданной вероятности пропуска сигнала нового излучения: вероятность ложной тревоги приближается к нулю при зна-

чении весового коэффициента, стремящимся к нулю. В реальных условиях вероятность ложной тревоги находится в пределах от 0,02 до 0,06.

Показана необходимость учета различий в характере работы служб, действующих в полосе обзора, для оптимизации параметров формирователя сигнала тревоги по выбранному критерию, и предложен метод оптимизации параметров формирователя сигнала тревоги, учитывающий вид службы:.

- для диапазона фиксированных служб предложен алгоритм оптимизации параметров формирователя сигнала тревоги по,критерию минимума вероятности ложных тревог в условиях медленных замираний;

- для диапазона подвижных служб предложен алгоритм оптимизации параметров формирователя сигнала тревоги по критерию минимума вероятности ложного обнаружения при повторном выходе известной станции в "радиоэфир" при ограничениях на величину допустимой паузы в работе станции.

Предложен способ оптимизации относительного адаптивного порога обнаружения, на основе которого с учетом усредненной по полосе обзора мощности шума в элементарном частотном канале вычисляется минимальная регистрируемая мощность по критерию допустимой интенсивности потока тревог, формируемого обнаружителем.

Рассмотрен алгоритм вычисления усредненной по полосе обзора мощности шумов в элементарном частотном канале, которая определяется по экспериментальной гистограмме функции плотности вероятности значения усредненных оценок амплитуд спектральных составляющих.

В четвертом разделе рассмотрены методы программной реализации адаптивного разностного панорамного обнаружителя радиосигналов на базе ЭВМ.

Предложен и исследован метод формирования усредненной оценки интенсивности потока тревог на стыке обнаружитель-человек.

Введено понятие скорости реакции адаптивного разностного панорамного обнаружителя радиосигналов на стыке обнаружитель-человек.

Предложен и рассмотрен способ корректировки значения относительного адаптивного порога обнаружения.

Разработан пакет прикладных программ для реализации адаптивного разностного панорамного обнаружителя радиосигналов на ЭВМ. Разработаны и приведены алгоритмы программы обнаружения, подпрограммы предварительного обучения, подпрограммы оптимизации параметров.

Предложен способ оптимизации относительного адаптивного порога обнаружения, на основе которого с учетом усредненной по полосе обзора мощности шума в элементарном частотном канале вычисляется минимальная регистрируемая мощность по критерию допустимой интенсивности потока тревог, формируемого обнаружителем.

Дана оценка эффективности адаптивного разностного панорамного обнаружителя радиосигналов в условиях обнаружения сигнала нового излучения на фоне действующего. Вероятность обнаружения находится в пределах 0,75-0,95 в зависимости от величины минимальной регистрируемой мощности.

Предложено для повышения эффективности адаптивного разностного панорамного обнаружителя радиосигналов часть функций по распознаванию и классификации тревог реализовывать на ЭВМ.

В заключении сформулированы основные результаты работы, которые состоят в следующем:

1. Предложен и исследован алгоритм формирования усредненной оценки амплитуды спектральной составляющей, обеспечивающий в условиях ограничения на время обнаружения сигнала нового излучения выигрыш в отношении сигнал/шум для усредненной оценки амплитуды спектральной составляющей от 1,5 до 2,5 раз по сравнению с методом скользящего среднего.

2. Предложен и исследован алгоритм обнаружения сигнала нового излучения в элементарном частотном канале, основанный на сравнении приращения усредненной оценки амплитуды спектраль-

ной составляющей между ш-ой (текущей) и (ш-г)-ой итерациями с пороговым значением приращения, где г-число итераций обнаружения. Алгоритм обнаружения реализуется в формирователе сигнала тревоги, который является составной частью адаптивного разностного панорамного обнаружителя радиосигналов.

3. Для оптимизации параметров формирователя сигнала тревоги выбран критерий Неймана-Пирсона. Показано, что для случая аддитивных шумов не существует оптимального соотношения между параметрами формирователя сигнала тревоги с точки зрения минимизации вероятности ложной тревоги при заданной вероятности пропуска сигнала нового излучения: вероятность ложной тревоги приближается к нулю при значении весового коэффициента, стремящимся к нулю. В реальных условиях вероятность ложной тревоги находится в пределах от 0,02 до 0,06.

4. Показана необходимость учета различий в характере работы служб, действующих в полосе обзора, для оптимизации параметров формирователя сигнала тревоги по выбранному критерию, и предложен метод оптимизации параметров формирователя сигнала тревоги, учитывающий вид службы:

- для диапазона фиксированных служб предложен алгоритм оптимизации параметров формирователя сигнала тревоги по критерию минимума вероятности ложных тревог в условиях медленных замираний;

- для диапазона подвижных служб предложен алгоритм оптимизации параметров формирователя сигнала тревоги по критерию минимума вероятности ложного обнаружения при повторном выходе известной станции в "радиоэфир" при ограничениях на величину допустимой паузы в работе станции.

5. Предложен способ оптимизации относительного адаптивного порога обнаружения, на основе которого с учетом усредненной по полосе обзора мощности шума в элементарном частотном канале вычисляется минимальная регистрируемая мощность по критерию допустимой интенсивности потока тревог, формируемого обнаружителем.

6. Дана оценка эффективности адаптивного разностного панорамного обнаружителя радиосигналов в условиях обнаружения

сигнала нового излучения на фоне действующего. Вероятность обнаружения находится в пределах 0,75-0,95 в зависимости от величины минимальной регистрируемой мощности.

7. Предложено для повышения эффективности адаптивного разностного панорамного обнаружителя радиосигналов часть функций по распознаванию и классификации тревог реализовывать на ЭВМ.

В приложения вынесено:

1) Программа определения соответствия функции плотности распределения вероятности усредненной оценки амплитуды спектральной составляющей нормальному закону распределения.

2) Программа расчета сравнительной эффективности формирователя усредненной оценки амплитуды спектральной составляющей.

3) Программа расчета зависимости порогового значения приращения усредненной оценки амплитуды спектральной составляющей от весового коэффициента.

4) Программа определения оптимального значения весового коэффициента при работе в диапазоне фиксированных служб.

5) Программа расчета зависимости вероятности обнаружения сигнала нового излучения на фоне действующего от соотношения их мощностей и величины относительного адаптивного порога обнаружения.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Петров В.А. Панорамные устройства и методы анализа спектральных характеристик. - В сб.: Тезисы докладов Международной НТК "Информатика и проблемы телекоммуникаций". -Новосибирск, 1995, т.1, с. 173 - 175.

2. Петров В.А. Применение адаптивной обработки сигналов в панорамных устройствах. - В сб.: Тезисы докладов Российской НТК "Информатика и проблемы телекоммуникаций". - Новосибирск, 1996, т.II с. 63 - 64.

3. Петров В.А. Статистические характеристики эталона. - В сб.: Тезисы докладов Третьей Международной НТК "Актуальные проблемы электронного приборостроения". - Новосибирск, 1996, т.У, с. 168 - 170.

4. Гарсков Г.Х., Петров В.А. Определение параметров формирователя оценки сигналов. - В сб.: Тезисы докладов Международной НТК "Информатика и проблемы телекоммуникаций". -Новосибирск, 1997, с. 130 - 131.

5. Петров В.А. Панорамный разностный обнаружитель радиосигналов. - Приоритетная справка № 97108035/09 от 13.05.97

6. Гарсков Г.Х., Петров В.А. Оптимизация параметров адаптивного разностного панорамного обнаружителя радиосигналов. -В сб.: Тезисы докладов Международной НТК "Информатика и проблемы телекоммуникаций". - Новосибирск, 1998.

7. Гарсков Г.Х., Петров В.А. Статистические характеристики усредненной оценки амплитуды спектральной составляющей. - М., 1998. - (Депонированная рукопись/ «Электросвязь», принято к публикации)

8. Гарсков Г.Х., Петров В.А. Способы оптимизации параметров адаптивного разностного панорамного обнаружителя радиосигналов. - М., 1998. - (Депонированная рукопись/ «Электросвязь», принято к публикации)