|
|
|
Определение характеристик оптимального обнаружения сигналов |
|
ВВЕДЕНИЕ
При проектировании гидроакустических систем (ГАС) различного функционального назначения на этапе проектирования решаются задачи оптимизации технических характеристик ГАС и выбора структуры приемного тракта, оптимизирующего отношение сигнал-помеха. Для таких систем основными параметрами является: дальность действия, пространственная разрешающая способность. В данном случае ищут компромиссное решение между этими параметрами, отдавая предпочтение одному или другому в зависимости от стоящей перед разработчиками задачи. Расчет ведется при фиксированной дальности и поэтому выбор оптимальной частоты определяется минимальной излучающей мощности. 1. ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ
Рассчитать и построить семейство характеристик обнаружения и определить значение порогового сигнала для исходных данных. Расчет проводится для когерентной последовательности и некогерентной последовательности импульсов при полностью известном сигнале, со случайной начальной фазой и амплитудой.
Таблица 1.1
Данные для расчеты
1. Максимально допустимое значение вероятности ложной тревоги Pлт.доп10-3,
10-52. Число импульсов последовательности, n1, 203. Вероятность правильного обнаружения Po0,924. Дальность действия r, м10005. Разрешающая способность по угловым координатам, град=10=106. Разрешающая способность по дальности r, м0,57. Спектрально-энергетическая характеристика шумов, №3.18. Скорость носителя VН, м/с159. Скорость цели VЦ, м/с510. Чувствительность антенны , мкВ/Па30011. Уровень шумов электронного тракта Uм эл., мкВ 5
2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
2.1. Характеристика обнаружения
Характеристиками обнаружения называются кривые, определяющие зависимость между вероятностью правильного обнаружения Ро, вероятностью ложной тревоги Pлт и величиной сигнала выраженного в относительных еденицах:
(2.1)
Параметр q численно равен отношению сигнал-помеха (С/П) по напряжению на выходе согласованного фильтра (СФ). Если задано допустимое значение Pлт, то расписывается соответствующее значение Po.
2.1.1 Случай полностью известного сигнала
Условные плотности вероятности корреляционного интеграла при отсутствии сигнала W(K/0) и при наличии сигнала W(K/1) определяются из выражения:
(2.2)
где величины K и Es корреляционный интеграл и энергия сигнала. При сравнении значений К с порогом Ко вероятность ложной тревоги определяется отношением порогового уровня к среднеквадратичному значению к.
(2.3)
Вероятность правильного обнаружения зависит не только от отношения порога Ко среднеквадратичному значению к, но и от отношения
(2.4)
где q параметр обнаружения.
(2.5)
В выражениях 2.3 и 2.5 в F(U) интеграл вероятности:
(2.6)
Выражение 2.5 преобразуется к виду
(2.7)
где qo=Ko/k.
Если интеграл вероятности определяется в виде
(2.6)
то выражение (2.3), (2.5), (2.6) приобретают вид
Pлт=1-Ф(qo), (2.7)
Pлт=1-Ф(q-qo), (2.8)
где q параметр обнаружения.
Вероятность правильного обнаружения при заданной вероятности ложной тревоги тем больше, чем больше параметр обнаружения (рис 2.1). Пользуясь кривыми обнаружения, можно найти пороговый сигнал, т.е. сигнал, который при заданной вероятности ложной тревоги, может быть обнаружен с требуемой вероятностью правильного обнаружения Рп.
Рис. 2.1 Кривые обнаружения
Случай полностью известного сигнала на практике встречается редко, но его удобно использовать для сравнения различных типов устройств обнаружения.
2.2. Случай сигнала со случайной начальной фазой
Условные плотности вероятности для корреляционного интеграла при наличии сигнала:
(2.9)
при отсутствии сигнала:
(2.10)
Модель корреляционного интеграла при отсутствии сигнала подчиняется релеевскому закону распределения, а при наличии сигнала, обобщенному релеевскому закону.
Максимально допустимая вероятность ложной тревоги
(2.11)
а пороговое значение отношение сигнал-помеха
(2.12)
Вероятность правильного обнаружения определяется, как
(2.13)
где S переменная интегрирования.
Когда отношение сигнал-шум равен
формулы (2.9) и (2.13) упрощается, и расчет вероятности Po можно вести по формуле
(2.14)
где Ф(U) интеграл вероятности.
2.3. Случай со случайной амплитудой и начальной фазой
(2.15)
(2.16)
Вероятность ложной тревоги
(2.17)
Вероятность правильного обнаружения
(2.18)
Исключая qo из (2.18), получим
(2.19)
В случае приема последовательности из n одинаковых когерентных импульсов энергетическое отношение сигнал/шум
(2.20)
где Eu/No энергетическое отношение сигнал/шум, соответствующее одному импульсу последовательности.
По характеристикам обнаружения определяются значения qn и пороговый сигнал, соответствующий полной энергии сигнала в пачке (ES). Поэтому в случае когерентного обнаружения, энергия минимального порогового сигнала одного импульса должна быть ES/n. А в случае некогерентного обнаружения ES/n. Выигрыш при когерентном приеме составляет n раз. Параметр обнаружения q может быть представлен как отношение максимального напряжения сигналаAs к среднеквадратичного значения шума
(2.21)
При этом пороговом сигналом определяется коэффициент распознавания (различимости) , который вычисляется как минимальное отношение сигнал/шум, обеспечивающее обнаружение с требуемой вероятностью:
для случая когерентного обнаружения
для случая некогерентного обнаружения
где Wи=As2/2 импульсная мощность.
При n=1 различие между когерентным и некогерентным приемами отсутствует.
3. РАСЧЕТ ТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ГАС
Оптимальная частота работы ГАС
Оптимальную частоту выбираем из расчета, что сигнал будет иметь приемлемый шум и малое поглощение.
где rmax дистанция до цели обнаружения (км).
Но так как можно перебирать частоту в некотором диапазоне, то выбираем частоту fопт=39000, при этом получаем выигрыш в минимальном шуме, но имеем более сильное поглощение сигнала.
Полоса пропускания приемного тракта
Она складывается из доплеровского смещения частот и ширины спектра эхо-сигнала
f=fд+fсп.
Найдем fд доплеровское смещение частоты
где Vн скорость носителя,
Vц скорость цели обнаружения,
с скорость звука в среде.
Найдем fс ширина спектра эхо-сигнала
Коэффициент 1,37 выбирается из того условия что отношение сигнал-шум является опртимальным для нашего случая.
где и=2r/c=20,3/1483=0,67 (мс), где r разрешающая способность по дальности. Тогда fсп=2032 (Гц).
f=2032+2104=4136 (Гц).
Уровень шума, воздействующий на вход приемного тракта
Для расчета шума воспользуемся спектрально-энергетическими характеристиками шумов, в данном случай характеристикой для моря. Частота излученного сигнала равна 39000 Гц, тогда Pпр=210-5 Па/Гц2.
Уровень шумового давления на входе приемной антенны
Pш=Uш/,
где Uш уровень шумов на входе в приемный тракт и шум приемного тракта;
- чувствительность антенны в режиме приема (мкВ/Па),
Uш.эл уровень шумов электронного
1 2
|
|
|
|
 |
На сайте: |
, ,
|
