Способ некогерентного накопления светолокационных сигналов
Владельцы патента RU 2359226:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" (RU)
Способ некогерентного накопления светолокационных сигналов включает серию циклов зондирования. При этом в каждом цикле зондирования производят прием отраженного сигнала, сравнение принятого сигнала с несколькими аналоговыми пороговыми уровнями, накопление суммы превышений аналоговых пороговых уровней, по которой судят о наличии сигнала путем сравнения суммы превышений с пороговым числом. Аналоговые пороговые уровни располагают по обе стороны относительно нулевого уровня, причем абсолютные превышения положительных пороговых уровней накапливают со знаком плюс, а абсолютные превышения отрицательных пороговых уровней - со знаком минус так, чтобы среднее суммарное количество превышений уровней шумом в отсутствие сигнала было минимальным, а вероятность правильного обнаружения сигналов при заданной вероятности ложных тревог была максимальной. Технический результат: обеспечение максимальной вероятности обнаружения сигналов при минимальном объеме аппаратуры. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к лазерной технике, а именно к лазерной дальнометрии.
Известен способ некогерентного накопления импульсов при их многократном повторении, например, для обнаружения принимаемых сигналов при лазерном или радиолокационном зондировании удаленных объектов [1, 5]. Указанный способ заключается в том, что производят серию циклов зондирования, в каждом цикле зондирования принятый сигнал сравнивают с аналоговым порогом (осуществляют бинарное квантование), подсчитывают количество превышений аналогового порога и принимают решение о наличии сигнала, если это количество превышает заданное число. Этот способ не позволяет реализовать потенциальную вероятность обнаружения сигналов вследствие потери информации при бинарном квантовании принимаемого сигнала.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ некогерентного накопления сигналов, включающий серию циклов зондирования, в каждом цикле зондирования прием отраженного сигнала и сравнение принятого сигнала с несколькими аналоговыми пороговыми уровнями, накопление суммы превышений аналоговых пороговых уровней, по которой после завершения серии судят о наличии сигнала путем сравнения суммы превышений с пороговым числом [2].
Недостатком этого способа является необходимость в большом объеме быстродействующей цифровой регистрирующей аппаратуры, необходимой для его реализации, что недопустимо в лазерной светолокационной дальнометрии.
Задачей изобретения является обеспечение максимальной вероятности обнаружения сигналов светолокационных сигналов методом накопления при минимальном объеме аппаратуры.
Указанная задача решается за счет того, что в способе некогерентного накопления светолокационных сигналов, включающем серию циклов зондирования, в каждом цикле зондирования прием отраженного сигнала и сравнение принятого сигнала с несколькими аналоговыми пороговыми уровнями, накопление суммы превышений аналоговых пороговых уровней, по которой судят о наличии сигнала путем сравнения суммы превышений с пороговым числом, согласно изобретению аналоговые пороговые уровни располагают по обе стороны относительно нулевого уровня, причем абсолютные превышения положительных пороговых уровней накапливают со знаком плюс, а абсолютные превышения отрицательных пороговых уровней - со знаком минус так, чтобы среднее суммарное количество превышений уровней шумом в отсутствие сигнала было минимальным, а вероятность правильного обнаружения сигналов при заданной вероятности ложных тревог была максимальной.
Количество аналоговых пороговых уровней может быть равно двум, причем уровни расположены симметрично относительно нулевого уровня.
Для обеспечения стабильности обнаружительных характеристик в широком диапазоне условий можно предварительно устанавливать аналоговые пороговые уровни относительно нулевого уровня в режиме шумовой автоматической регулировки путем накопления суммы превышений аналоговых пороговых уровней в отсутствие сигнала, смещения относительного положения нулевого уровня и пороговых уровней так, чтобы накопленное суммарное количество превышений пороговых уровней было минимальным, после чего поддерживают это относительное положение уровней в течение времени накопления сигналов.
На фиг.1 представлен пример смеси сигнала с шумом и два аналоговых порога, установленных симметрично относительно нулевого уровня.
На фиг.2 показаны зависимости эффективности накопления для одно-, двух- и четырехпороговых режимов накопления от интервала между аналоговыми порогами.
На фиг.3 изображены зависимости среднеквадратического отклонения накопленных сумм от относительного расстояния между пороговыми уровнями Δu/σ для двухуровневого и четырехуровневого режимов накопления, где Δu - абсолютное расстояние между уровнями, а σ - среднеквадратическое значение шума.
Смесь принятого сигнала 1 и шума 2 образует реализацию 3 случайного процесса, подлежащего анализу. В двухуровневом варианте эту реализацию сравнивают с аналоговыми порогами 4 и 5, расположенными симметрично относительно нулевого уровня. Если в данном цикле зондирования в какой-либо дискрете времени реализация 3 пересекает положительный пороговый уровень 4 вверх, то регистрируют это генерацией и добавлением к накапливаемой сумме числа +1, а если реализация пересекает отрицательный пороговый уровень вниз, то к накапливаемой сумме добавляют число -1. По окончании серии из N зондирований сравнивают накопленную сумму n с пороговым числом nпор и в случае превышения этого числа принимают решение о наличии сигнала в данной дискрете времени.
Шумовой процесс характеризуется среднеквадратическим значением σ. В приведенном примере амплитуда сигнала А равна σ. Величины положительного и отрицательного порогов u+ u- равны соответственно +0,5σ и -0,5σ. Одна дискрета времени соответствует дискрете по дальности 1 м. Длительность сигнала по уровню 0,5 составляет около 3-х дискрет. Полоса пропускания линейного тракта согласована с шириной спектра сигнала. При отсутствии сигнала вероятности пересечения шумовым процессом положительного и отрицательного порогов соответственно вверх и вниз равны, следовательно, средняя величина М(n0) накопленной суммы n0 равна нулю.
Существенным критерием является эффективность накопления, представляющая собой улучшение отношения сигнал/шум на входе и выходе накопителя:
,
где М(n1) - средняя величина накопленной суммы;
σК - среднеквадратическое отклонение накопленной суммы;
А - амплитуда сигнала на входе накопителя;
σ - среднеквадратическое значение входного шума.
Исследована зависимость эффективности накопления от относительной величины пороговых уровней Δu/σ при их симметричном положении от нулевого уровня (фиг.2). Результаты получены для N=200 при следующих режимах накопления:
а) одноуровневого (бинарного) накопления (кривая 6);
б) двухуровневого накопления (7);
в) четырехуровневого накопления (8) при равнодистантном расстоянии между пороговыми уровнями;
г) четырехуровневого накопления при нулевом положении двух из четырех уровней (9).
Пунктиром показан теоретический предел 
.
Видно, что при оптимальном положении пороговых уровней двухуровневый и четырехуровневый режимы накопления с симметричным размещением пороговых уровней по эффективности приближаются к теоретическому пределу, а эффективность бинарного накопления составляет ~80% от теоретического предела.
Произведена оценка требуемого объема аппаратуры, необходимой для реализации способа. С этой целью определены зависимости среднеквадратического отклонения накопленной суммы σК от относительной величины пороговых уровней Δu/σ при их симметричном положении относительно нулевого уровня (фиг.3). Эти зависимости построены для двухуровневого и четырехуровневого накопления при равнодистантном положении уровней (соответственно кривые 10 и 11), а также для четырехуровневого накопления при нулевом положении двух из четырех уровней (кривая 12). Результаты, представленные на фиг.2, 3, получены методом компьютерного моделирования при исходных данных, приведенных выше.
Для двухуровневого накопления при указанных данных в каждом канале дальности необходимо иметь возможность накопления до (3-4)σК. При оптимальном положении аналоговых уровней |u+|=|u-|~0,5σ среднеквадратическое отклонение накопленной суммы σК~10 и минимальный объем суммирующего устройства
Кмакс~4σК=40<26. Результаты, приведенные на фиг.2, 3, показывают, что четырехуровневый накопитель требует в два раза большего объема аппаратуры, чем двухуровневый, тогда как эффективность накопления при этом повышается несущественно.
Объем суммирующего устройства при бинарном накоплении с оптимальным положением порогового уровня оценивается по формуле 
. Для рассмотренного примера N=200 эта величина составит 
, то есть на два двоичных разряда больше по сравнению с устройством для реализации предлагаемого способа. При этом по эффективности бинарное накопление на двадцать процентов уступает многоуровневым режимам накопления, в том числе предлагаемому двухуровневому способу накопления с симметричным положением уровней.
Предлагаемый способ некогерентного накопления сигналов обеспечивает максимальную вероятность обнаружения сигналов при минимальном объеме аппаратуры и может быть реализован в портативных лазерных дальномерах.
Источники информации
1. Я.Д.Ширман, В.Н.Голиков «Основы теории обнаружения радиолокационных сигналов и измерения их параметров». М., Изд. «Советское радио», 1963 г., стр.179.
2. Я.Д.Ширман, В.Н.Манжос «Теория и техника обработки радиолокационной информации на фоне помех». М., Изд. «Радио и связь», 1981 г., стр.81-83 - прототип.
3. В.Е.Гмурман «Теория вероятностей и математическая статистика». М., Изд. «Высшая школа», 1977 г.
4. В.Г.Вильнер. Проектирование пороговых устройств с шумовой стабилизацией порога. Оптико-механическая промышленность, 1984 г., №5.
5. Патент WO 2005/006016 A1 "Laser rangefinder and method thereof".
1. Способ некогерентного накопления светолокационных сигналов, включающий серию циклов зондирования, в каждом цикле зондирования прием отраженного сигнала и сравнение принятого сигнала с несколькими аналоговыми пороговыми уровнями, накопление суммы превышений аналоговых пороговых уровней, по которой судят о наличии сигнала путем сравнения суммы превышений с пороговым числом, отличающийся тем, что аналоговые пороговые уровни располагают по обе стороны относительно нулевого уровня, причем абсолютные превышения положительных пороговых уровней накапливают со знаком плюс, а абсолютные превышения отрицательных пороговых уровней - со знаком минус, так, чтобы среднее суммарное количество превышений уровней шумом в отсутствие сигнала было минимальным, а вероятность правильного обнаружения сигналов при заданной вероятности ложных тревог была максимальной.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что количество аналоговых пороговых уровней равно двум, причем уровни расположены симметрично относительно нуля.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что предварительно устанавливают аналоговые пороговые уровни относительно нулевого уровня в режиме шумовой автоматической регулировки путем накопления суммы превышений аналоговых пороговых уровней в отсутствие сигнала, смещения относительного положения нулевого уровня и пороговых уровней так, чтобы накопленное суммарное количество превышений пороговых уровней было минимальным, после чего поддерживают это относительное положение уровней в течение времени накопления сигналов.
