Стабилизация уровня ложных тревог

Основными качественными показателями радиолокационного обнаружения являются условные вероятности правильного обнаружения D и ложной тревоги F. Эти вероятности связаны между собой следующим образом

, (4.27)

где q – отношение сигнал-шум по мощности.

Важным требованием в процессе обнаружения является поддержание постоянства заданного уровня ложной тревоги

,

где U₀ – порог обнаружения;

– среднее квадратическое значение шума на выходе линейной части приемника.

Под ложной тревогой понимается факт превышения порога обнаружения выбросами шума (помехами) в одном и том же разрешаемом объеме зоны обнаружения. Вероятностью ложной тревоги за обзор называют вероятность того, что шумовые выбросы на входе устройства сравнения с порогом хотя бы один раз за один цикл обзора превысят порог обнаружения. Вероятность того, что шумовые выбросы на входе порогового устройства хотя бы один раз за т циклов обзора превысят порог обнаружения, называется интегральной вероятностью ложной тревоги.

Вероятность правильного обнаружения – вероятность того, что выбросы смеси сигнала и шума, соответствующие одному и тому же разрешаемому объему зоны обнаружения, превысят порог обнаружения.

Отношение U₀/σ_ш в выражении для вероятности ложной тревоги называется нормированным порогом обнаружения. Небольшое изменение нормированного порога приводит к значительным изменениям вероятности ложной тревоги. Его увеличение на 1 дБ (1,12 раза) приводит к уменьшению вероятности F в 10 раз. Любая нестабильность порога обнаружения или изменение уровня шума на выходе приемника нежелательны.

Для стабилизации уровня ложных тревог необходимо обеспечить постоянство значения нормированного порога обнаружения. Возможны два подхода в решении названной задачи. В первом случае проводится оценка уровня шума и соответственно меняется уровень порога обнаружения. Формируется адаптивный порог обнаружения. Во втором случае порог обнаружения фиксированный. Тогда, для стабилизации уровня ложных тревог, необходимо поддерживать постоянным уровень шума на выходе приемника.

Формирование адаптивного порога обнаружения поясняется с помощью устройства, упрощенная структурная схема которого изображена на рис.4.25.

Сигнал, поступающий на обнаружитель, одновременно подается на блок оценки вероятности ложной тревоги. Получаемая оценка F^* сравнивается с пороговым уровнем F₀ и вырабатывается такое напряжение регулирования, при котором оценка F^* остается постоянной величиной. В средствах радиолокации кругового обзора с целью повышения быстродействия схемы и качества стабилизации вероятности ложной тревоги в зависимости от ориентации диаграммы направленности и временной задержки относительно излученного импульса с блока памяти могут подаваться оценки F^*, полученные на предыдущем периоде обзора.

При неизвестной интенсивности помехи нельзя установить уровень порога, обеспечивающего заданное качество обнаружения сигнала. Один из путей оптимизации обработки – организация ее на основе измерения и учета уровня помехи. Оценка уровня помехи может быть реализована по принципу максимума правдоподобия. Оценивание облегчается, если выборка помехи классифицированная – на нее не наложен сигнал.

Адаптация к интенсивности помех может быть реализована в «скользящем окне» при линейном детектировании. При этом используются отсчеты помехи, предшествующие обнаруживаемому сигналу, и следующие за ним с совокупным сглаживанием всех этих отсчетов. Структурная схема такой обработки изображена на рис.4.26.

Д

Д

Д

Д

Д

Д

S

2m / Δf

m / Δf

делитель

Рис.4.26. Адаптация к интенсивности помех

Принятые в полосе частот Δf и продетектированные колебания проходят линию задержки на время 2т/Δf с 2т+1 отводами. Сигнальное напряжение, снимаемое со среднего отвода, задержано дополнительно на т/Δf. Его амплитуду делят на усредненную амплитуду напряжения помехи. В момент максимума сигнала его амплитуда к амплитуде шума не добавляется: сглаживаются только амплитуды шума до и после максимума сигнала.

Совокупное сглаживание в «окне» 2т>25 повышает точность измерения, а значит и качество адаптации к стационарным помехам. Если же 2т£25 сглаживание оказывается недостаточным. Возрастают ошибки определения порогового уровня. С другой стороны, удлинение «окна» нежелательно по двум причинам. Это, во-первых, может нарушить адаптацию при нестационарности помехи. Уровень порога, во-вторых, неоправданно повышается при попадании в расширенное окно сигналов, отраженных более чем от одной цели.

При оценивании уровня шума в окрестностях сигнала от некоторого воздушного объекта интенсивные отражения от других объектов, попадающие в расширенное «окно», действуют как импульсные помехи. Влияние последних ослабляется при ранговой обработке. Переход к рангам иногда используют только для оценивания дисперсии шумовой помехи в условиях многоцелевых ситуаций и выставления после этого уровня порога в аналоговом тракте обработки.

Наиболее часто оценка мощности помех осуществляется путем усреднения мощности помех по элементам дальности, что дает известные преимущества по быстродействию системы адаптации. Общая идея такой оценки и стабилизации уровня ложной тревоги при обнаружении показана на рис.4.27.

Изображенная на рис.4.27 система осуществляет нормировку статистики квадрата входной реализации х² (мощности), полученного с помощью квадратичного детектора, к уровню средней мощности помех w. Результирующая величина х²/w сигнала всегда нормирована и не зависит от уровня помех.

кв. Д

t

t

t

t

х2/w

N–1

N

w

z

x2

x(t)

Рис.4.27. Система нормировки входной реализации

В последнее время осуществлены многочисленные разработки обнаружителей движущихся целей, учитывающие негауссовость помехи, наличие одновременных отражений от гидрометеоров и поверхности и т.д. Примером может служить адаптивная система со стабилизацией уровня ложных тревог, структура которой изображена на рис.4.28.

Регистр сдвига РС1 записывает уровень отраженных сигналов и помех в ячейки дальности с последующим усреднением значений сигналов ячеек в районе, прилегающем к ячейке с целью. Порог Т₁ формируется умножением среднего значения уровня помехи на коэффициенты К₂ и К₃. Величина К₂ извлекается из постоянного запоминающего устройства на основании сигнала счетчика ложной тревоги на регистре РС2, который функционирует следующим образом. Умножением на коэффициент К₁ формируется порог T₂ для амплитудного компаратора АК2. На второй вход компаратора подается сигнал с ячейки РС1, в которой заведомо имеется только сигнал помехи. При превышении помехой порога Т₂ формируется единица, при непревышении – нуль, которые записываются в регистр РС2, а затем считываются сумматором. Величина К₃ выбирается из условия обеспечения заданной вероятности ложной тревоги при обнаружении на фоне шума. Порог Т₁ вводится в амплитудный компаратор АК1, где осуществляется обнаружение сигнала цели со средней ячейки РС1.

Стабилизация уровня ложных тревог (СУЛТ) реализуется специальными устройствами, один из вариантов которых приводится ниже.

Для определения среднего уровня шума в устройстве СУЛТ формируется скользящее в пределах рабочей дальности окно анализа протяженностью 16 ДД, разделенное на две части по 8 ДД (рис.4.29).

Окно анализа (расположенное симметрично относительно дискрет i±2, где i=10, 11, 12, … Д_макс/ДД) последовательно перемещается по всей рабочей дальности. Для любого текущего положения окна анализа производится суммирование значений шума в пределах этого окна и деление результата на 16.

Полученное таким образом значение используется далее для определения адаптивного порога U_ПО.

Организация скользящего окна обеспечивается использованием двух ОЗУ емкостью по 8 восьмиразрядных слов каждое.

Временное запаздывание информации, накопленной ОЗУ2 по отношению к информации ОЗУ1, на время, соответствующее 4 ДД, создается регистровой линией задержки. Информация, накопленная каждым запоминающим устройством, непрерывно обновляется путем замены старой на вновь поступающую, что создает эффект движения окна анализа. Данные, хранящиеся в каждом ОЗУ, суммируются с последующим их объединением и отбрасыванием четырех младших разрядов, что эквивалентно делению на 16. Полученное таким образом значение обновляется по мере движения окна анализа через время, соответствующее 8 ДД.

Сформированный в перемножителе порог U_ПО поступает на компаратор 2, куда поступает цифровой сигнал с регистровой линии задержки. В случае превышения сигналом U_ПО формируется выходной сигнал обнаружение СУЛТ.

В случае формирования фиксированного порога обнаружения необходимо включение в тракт обработки схем, обеспечивающих стабилизацию уровня шума. Такими схемами могут быть различные автоматические регулировки усиления приемников.

Использование схемы временного регулирования усиления (ВАРУ) позволяет регулировать лишь средние значения пассивных помех и отражений от «местных предметов» в зависимости от дальности до объекта. В отсутствии названных отражений и действии напряжения ВАРУ (в канале только шум), в начале дистанции образуется «шумовая яма», в пределах которой нарушаются условия оптимального обнаружения.

ПУ 1

ПУ 2

ПУ п

:

U01

U02

U0п

Uх

Uвых

Рис.4.30. Структура обнаружителя при фиксированных порогах обнаружения

Системы инерционных автоматических регулировок усиления (ИАРУ) и шумовых автоматических регулировок усиления (ШАРУ) инерционны и фиксируют уровень помехового фона лишь в среднем. Усилители с нелинейными амплитудными характеристиками исключают значительные выбросы сигналов, в определенной степени стабилизируют уровень ложных тревог, однако полностью эту задачу не решают. Вместе с тем возможно реализовать стабилизацию уровня ложных тревог при фиксированных порогах обнаружения. Поясняется это структурной схемой, изображенной на рис.4.30.

Подобное устройство многоканально. Входной сигнал подается одновременно на ряд пороговых устройств (ПУ 1 – ПУ n). Напряжения порогов U₀₁ – U_0n различны по величине. Увеличение числа ложных тревог на выходе включенного канала фиксируется в схеме адаптивного выбора канала, в результате чего осуществляется переключение на другой канал с большей величиной порога обнаружения.

Стабилизация уровня ложных тревог может быть реализована по принципу автоматического регулирования порога срабатывания компаратора. Структура стабилизатора изображена на рис.4.31.

Формирователь выходных

Компаратор

Пиковый детектор

Интегратор

ЭА

Выходной сигнал

Уст. порога

Рис.4.31. Стабилизатор уровня ложных тревог

Выходной сигнал приемника, представляющий собой смесь шума, помех и сигналов, отраженных от воздушных объектов, сравнивается в компараторе с выходным напряжением интегратора. При превышении сигналами порога срабатывания компаратора, на его выходе образуются импульсы с уровнем «ЛОГ1», которые являются импульсами обнаружения. Пиковый детектор выделяет огибающую последовательности импульсов, которая после сглаживания и интегрирования поступает на второй вход компаратора в качестве опорного напряжения.

При увеличении уровня шума или интенсивности помеховых сигналов увеличивается количество превышений ими порога. Это в свою очередь приведет к увеличению напряжения на выходе интегратора, а, следовательно, к росту опорного напряжения на компараторе (увеличивается порог срабатывания). Таким образом обеспечивается постоянство числа срабатываний компаратора по шумам или помехам. Начальная установка порога обеспечивается подачей специального напряжения.

Стабилизация уровня ложных тревог может быть достигнута при формировании постоянного порога обнаружения. В этом случае необходимо обеспечить стабилизацию уровня шума (например, с помощью схемы ШАРУ) таким образом, чтобы нормированный порог обнаружения оставался величиной постоянной. Тракт обработки с использованием ШАРУ в качестве стабилизатора уровня ложных тревог изображен на рис.4.32.

УПЧ

ЛЗ

ШАРУ

Комп. УПЧ

Д

Рис.4.32. Тракт обработки со стабилизацией уровня шума

Компенсирующий УПЧ обеспечивает компенсацию затухания сигнала в линии задержки.

Ранее были рассмотрены различные ситуации, связанные с процессом обнаружения и определены его вероятностные характеристики. Вероятности различных решений могут быть подсчитаны при известных плотностях вероятностей. На рис.4.33 изображены графики плотностей вероятностей для шума и для смеси «сигнал + шум» при отношении сигнал-шум q = 3 (х₀ – порог обнаружения).

Вероятность ложной тревоги определяется следующим образом

.

Вероятность правильного обнаружения

,

где W_n(х) , W_cn(х) – плотности вероятности для шума и смеси «сигнал + шум».

При постоянном значении вероятности ложной тревоги, значение вероятности правильного обнаружения зависит только от отношения «сигнал-шум» на выходе приемника. Этот факт может быть использован для оценки работоспособности первичных радиолокаторов. Действительно, если воздушный объект находится на большом расстоянии от РЛС, а уровень шума одинаков на всей дистанции, отношение «сигнал-шум» мало. Следовательно, будет малой и вероятность правильного обнаружения. При приближении воздушного объекта отношение «сигнал-шум» увеличивается, что ведет к увеличению вероятности правильного обнаружения при одной и той же вероятности ложной тревоги.

Еще одним способом стабилизации уровня ложных тревог является применение ранговых обнаружителей.