CC BY
52
УДК 621.341. ББК 30ф
Воловач В.И.
РЕАЛИЗАЦИЯ СТРУКТУРЫ ОБНАРУЖЕНИЯ ОДНОКАНАЛЬНЫХ ТУРНИКЕТНЫХ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ ОХРАНЫ НА ОСНОВЕ СРАВНЕНИЯ КОРРЕЛЯЦИОННЫХ ИНТЕГРАЛОВ
Volovach V.I.
REALIZATION OF STRUCTURE OF DETECTION SINGLE-CHANNEL ТУРНИКЕТНЫХ RADIO ENGINEERING DEVICES OF PROTECTION ON THE BASIS OF COMPARISON OF CORRELATION INTEGRALS
Ключевые слова: задача обнаружения, функция правдоподобия, разрешение сигналов, структура обнаружения, корреляционный интеграл.
Keywords: a detection problem, credibility function, the permission of signals, detection structure, correlation integral.
Аннотация
В статье рассмотрены задачи обнаружения и оценки параметров радиотехнических устройств обнаружения турникетного типа, использующих принцип полуактивной локации. Рассмотрено решение задачи обнаружения для турникетного радиотехнического датчика. Предложена общая структура обнаружения для одноканальных турникетных радиотехнических устройств охраны, основанная на сравнении корреляционных интегралов, а также оптимальная структура обнаружения таких устройств.
Abstract
In article problems of detection and an estimation of parameters of radio engineering devices of detection turnstile the type, using a principle of a semi active location are considered. The decision of a problem of detection for turnstile the radio engineering gage is considered. The general structure of detection for single-channel turnstile radio engineering devices of the protection, based on comparison of correlation integrals, and also optimum structure of detection of such devices is offered.
Радиотехнические устройства обнаружения (РУО), применяющиеся в системах охранной сигнализации, являются ключевым элементом многих интегрированных систем охраны, поскольку достаточно универсальны, работают с высокой вероятностью обнаружения, могут использоваться для охраны объектов в достаточной степени различающихся по своим размерам и условиям эксплуатации. Принцип работы, реализуемый в РУО, основан на классических методах радиолокации; вместе с тем, при проектировании и эксплуатации таких устройств следует учитывать, что РУО относят к радиосистемам ближнего действия [1], имеющим свои специфические особенности, такие как многолучевой характер отражения сигналов от обнаруживаемых объектов, протяженный характер таких объектов, сравнимость геометрических размеров объектов с дальностью до них.
Практический интерес представляет задача обнаружения и различения сигналов на фоне шума в РУО и, следовательно, зависящее от успешности решения этой задачи, обнаружение объекта в общем случае в пределах контролируемого пространства. В частном случае использования РУО турникетного типа можно говорить о контролируемых периметрах. Названная задача в формализованном виде для всех радиотехнических систем, в т.ч. и для РУО, формулируется [2] следующим образом: пусть
на входе приемника В принятом воздействии Мдр ( может быть только один из двух сигналов или :
^ПР ^ 0иС1 ^ 9 1£С2 Ке ^2 ип 0 < ? — Т, (1)
где в - некоторая случайная величина, которая может принимать только два значения: в = 1 (присутствует сигнал С-^| с вероятностью р\) и в = 0 (присутствует сигнал
Мс2 ^2 С веРоятностью ^2 = 1 — А)> мп помеха; Т - время наблюдения.
Полезные сигналы иС1 ^ А, ^ и иС2 С ^2 ... представляют собой детерминированные
и известные функции аргументов ^ и X. При этом А = Як представляют собой
параметры, определяющие радиосигнал: амплитуда, частота и фаза колебания, время появления радиоимпульса и т.п.
В [3] показано, что решение (1) принимается на основании априорных данных о
сигнале ипр (___, подлежащем приему, и корректной обработки реализации принятого воздействия. Там же рассмотрены типичные случаи состояния априорной плотности вероятности параметров сигнала X, которые оказывают влияние на схемотехническую реализацию приемного тракта РУО.
Для решения задачи обнаружения и различения сигналов существенным является содержание некоторого «массива» наблюдений [3]. Поскольку РУО работают с большим массивом наблюдений, то выбор величины X практического влияния на принимаемое
воздействие иш ( не оказывает.
Решение (1) сводится к оценке дискретного параметра в; другими словами по принятому воздействию МПр { на входе приемника требуется определить оптимальным образом, какой из входных сигналов присутствует.
Реализация структуры обнаружения РУО [3] зависит от того, какие радиотехнические датчики (РД) используются. Рассматриваемые нами турникетные РД, формируют объемную зону обнаружения, которая имеет вид вытянутого эллипсоида, расположенную между приемной и передающей антеннами. Приемник такого РД, получающий сигнал от приемной антенны, реагирует не только на полное исчезновение сигнала, но также на его изменение (при этом изменяется глубина модуляции сигнала). В дальнейшем анализе будем рассматривать одноканальные РУО.
Заданный алгоритм работы затрудняет достоверное обнаружение объектов, например, вследствие наличия сигнала «просачивания» [4]. Турникетные датчики используются для охраны периметров контролируемых территорий и могут быть отнесены к полуактивным радиолокаторам. В таких датчиках один, лоцирующий сигнал постоянно излучается передающей антенной, а сигнал, отраженный от объекта, имеющий измененные параметры, например, глубину модуляции, можно рассматривать по отношению к приемнику РУО как второй сигнал. В результате для решения задачи обнаружения и реализации соответствующей структуры может быть использовано выражение (1).
Для решения задачи обнаружения объекта в пределах контролируемых территории или пространства следует определить значение функции правдоподобия. Вычисление функций правдоподобия позволяет по известным априорным плотностям вероятностей определить значения апостериорных вероятностей, на основании которых можно получить сравнение существенных параметров по любому критерию оптимального обнаружения.
Предположим, что параметр X является дискретной случайной величиной, что для упрощения можно допустить для любых сигналов, и может принимать только одно из
нескольких возможных значений , Х2з которым поставим в соответствие
сигналы иС1,иС2,..., исм с априорными вероятностями ррг ^ _^= Р(&а где / — 1, N, то
через функцию правдоподобия возможно определить [1] апостериорную вероятность отражения лоцирующего сигнала от объекта
Р(ис /ипр ) = кР(ис )Ь(ис ), (2)
где к =
' коэффициент пропорциональности, представляющий
•5, Р(иЫ )р(мпр I и&)
V—А ,
полную вероятность появления на входе приемника РУО сигнала мпр; Ь(и^)- функция правдоподобия; ^(^Пр / мс) - вероятность обнаружения объекта; 73 ^ - априорная
вероятность возникновения сигнала обнаружения.
Для случая охраны объектов параметр X будет характеризоваться двум значениями с соответствующими вероятностями: априорной вероятности возникновения полезного сигнала, что соответствует вероятности появления объекта в зоне обнаружения Р ;
априорной вероятности появления ложного сигнала
Коэффициент пропорциональности k, используемый для определения апостериорных вероятностей отражения лоцирующего сигнала от объекта Р(и С / и ПР ) и
возникновения ложного сигнала в РУО P(Uп / ^р ), будет определяться следующим выражением:
^ = ^пр /ис 3 Р ^пр /мп ^ ’ (^)
где Р(иПР / ип ) - вероятность обнаружения ложного сигнала.
Затем по выражению (2) вычисляют Р(иС / иПР ) и P(uп / МПР). При этом для нахождения вероятности возникновения ложного сигнала записывают (3) в следующем виде: Р(ии / иш ) — кР(ип )Ь(ип ). Последующее сравнение апостериорных вероятностей
посылки сигнала от объекта P(uС / иСП) и возникновения ложного сигнала Р(иП / иСП ) позволяют сделать вывод о регистрации проникновения в охраняемую зону.
Если принятое воздействие МПР ^ является непрерывным случайным процессом и
наблюдается в дискретных временных точках tm, то выражение (3)
переписывают с использованием плотностей вероятностей следующим образом: Ри с/ и ПР кр^с Если при этом параметр X непрерывен, то для вычисления по
(3) возможно определять [2] коэффициент пропорциональности следующим образом:
к = У1р^сИщ>/ис^.-
Функция правдоподобия, таким образом, представляет собой, в случае использования этой функции для описания РУО, вероятность обнаружения объекта Л(г/С) = /^(г/Пр / мс) или вероятность обнаружения ложного сигнала
) = ^(%1р I ип )
Функции правдоподобия используют для нахождения отношений правдоподобия, которые, в свою очередь, определяют применение критериев оптимального решения задач в РУО. Анализ функций и отношений правдоподобия позволяет сформировать и оптимизировать структуру обнаружения, получив максимальные результаты в достоверности обнаружения объектов.
Введем понятие разрешения сигналов для РУО и рассмотрим реализацию структур обнаружения последних. В радиолокации [1] разрешением сигналов принято называть обнаружение одного из двух или большего количества сигналов. По аналогии, применительно к РУО, будем говорить о разрешении в том смысле, что из двух или большего количества сигналов выбирается один, соответствующий сформулированным критериям обнаружения. Очевидно, что разрешение возможно применить только к тем сигналам, у которых имеются различия в одном или нескольких параметрах.
Рассмотрим реализацию структуры обнаружения для турникетного РД, реализующего принцип полуактивной локации, поскольку в нем в соответствии с (1) рассматриваются два сигнала - лоцирующий и отраженный. Реализация структуры обнаружения РД, использующих принцип активной локации, рассматривалась нами ранее
[5].
Итак, необходимо найти разрешение одного из сигналов в выражении (1). Ранее было отмечено, что в турникетном датчике для реализации его алгоритма работы лоцирующий сигнал от передающей антенны в течение времени работы РУО передается
постоянно; пусть в выражении (1) это сигнал иС2(У) . Выбор в качестве лоцирующего
сигнала UС 2() более удобен [3]. Отметим, что данный выбор не налагает ограничения на
использование импульсного режима работы РД.
Решение задачи обнаружения объекта возможно, если установить по принятому
воздействию на входе приемника РУО Мпр ^ , какой из сигналов был передан, и, соответственно, решить произошло ли вторжение в контролируемую зону. Будем считать сигналы иС1 и иС2 ^ известными функциями времени.
Перепишем выражение (1) с учетом приведенных выше рассуждений относительно параметра к
^ПР ^С1 @ Мс2 ип
(4)
где в - случайная величина.
Величина в может принимать два значения: в = 1 (при / = 1) - в принятом
воздействии М|П> ^ присутствует отраженный от объекта-нарушителя сигнал иС1 ^ з что предполагает нарушение границ контролируемой зоны, а также сигнал помехи Иц ^ в =
О (при / = 2) - в принятом воздействии присутствует лоцирующий сигнал иС2 ^ з свидетельствующий об отсутствии проникновения объекта-нарушителя, и сигнал помехи
ип
Для решения задачи обнаружения объекта-нарушителя воспользуемся значением отношения правдоподобия для сигналов иС1 С и иС2 определенным в [3]. Для случая
равенства энергий обоих сигналов (IV= IV-2) результат вычислений отношения
правдоподобия получается в виде сравнения двух корреляционных интегралов:
т т
/иС1 ПР > ]*иС2 ПР . (5)
|иС1 у и ПР УЗг> и
о о
Отметим, что в большинстве практических случаев энергии сигналов не равны: лоцирующий сигнал иС2 ^ по объективным причинам обладает большей энергией, чем
отраженный от объекта сигнал исл другими словами, обычно ^С1 <' • Для
реализации алгоритма работы РУО в соответствии с (5) может быть осуществлено
предусиление сигнала иС1 ^ в приемнике РУО либо ограничение амплитуды сигнала
u
С 2
В результате в приемнике РУО на основании сравнения двух корреляционных интегралов (5) принимается решение об обнаружении объекта. Если неравенство (5)
выполняется, то принимается решение об обнаружении сигнала исх С (вторжение в контролируемую зону); если неравенство не выполняется, то принимается решение об обнаружении сигнала иС2 ^(отсутствие вторжения).
Исходя из полученных результатов для одноканального турникетного РУО, рассмотрим наиболее общую структуру обнаружения этого устройства (рисунок 1). Пусть
входное воздействие ипр { наблюдается в т временных точках. Пусть также известны априорная вероятность появления сигнала от объекта Р С с 1 априорная вероятность
и данные о функции выигрыша т Чо > "г,
появления лоцирующего сигнала Р{(С2
Следует определить, согласно одному из критериев оптимального решения (в рассматриваемом примере используется критерий идеального наблюдателя), структуру решения о том, произошло или не произошло вторжение объекта в контролируемую зону.
Рисунок 1 - Общая структура обнаружения одноканальных РУО турникетного типа
Все принятые воздействия на входе приемника РУО МПР1,uПР2,..., uПРm поочередно
запоминаются в блоке памяти БП. Затем эти воздействия в порядке очередности поступают на блоки выработки функций правдоподобия БФП1 и БФП2, в которых по (5)
Т
реализуется вычисление корреляционных интегралов: ^ис\ пр и
о
^ис2 С3\1\‘ .
О
Для определения функций правдоподобия Ь и Ь ’ выРажения Ддя которых
выведены в [3], достаточно найти значения этих интегралов. Для решения задачи (4) в турникетном РД используется вычисление двух корреляционных интегралов и, соответственно, в структуре обнаружения применены два блока выработки функций правдоподобия.
Для вычисления корреляционных интегралов каждое из принятых воздействий иСП1, иСП2,..., испт поступает на входы БФП1 и БФП2 и сначала усиливается в каждом блоке, а затем поступает на умножители блоков. На умножители БФП1 и БФП2 от специальных генераторов также поступают «опорные» сигналы иС1 4 и иС2 ^ з причем каждый на свой блок. В умножителе БФП1 вырабатывается произведение иС1 С^сп ^ в
умножителе БФП2 - произведение иС2 С^сп Усиление принятых воздействий необходимо для корректного перемножения с «опорными» сигналами. Последней ступенью блоков БФП1 и БФП2 являются интеграторы, в которых производится
т
заключительная операция - образование искомых интегралов ]"^С1 ^Зт> и
о
Т
]"МС2 и, соответственно, функций правдоподобия. Каждое воздействие
0
мсп1’мсп2’••чмспт поступает на оба блока БФП1 и БФП2, вследствие чего функции
правдоподобия и Ф°РМИРУЮТСЯ Ддя обоих сигналов иС1 и ИС2 С_.
После получения значений корреляционных интегралов может быть принято решение о проникновении объекта в пределы контролируемого периметра. Для этого значения корреляционных интегралов или, что равнозначно, значения функций правдоподобия и ^
с блоков БФП1 и БФП2 отправляют в блок принятия
решения БПР, где в соответствии с (5) происходит сравнение значений и выносится соответствующее решение о вторжении в контролируемую площадь охраняемого объекта.
Полученная структура обнаружения (см. рисунок 1) не является оптимальной, поскольку не каждая задача обнаружения решается только на основании сравнения корреляционных интегралов. Отметим, что при необходимости рассматриваемая структура может быть оптимизирована [3], путем добавления в каждый из каналов блоков суммирования БС1 и БС2 (рисунок 2). На эти блоки поступают значения функций правдоподобия Ь «м. и ^ (соответственно с блоков БФП1 и БФП2), значения
ІҐ1 ^ 2 \ 10^1^1 О^ппи V \JJ1WIYWD и М' 111 И
( Г) ^
априорных вероятностей Р\^ л и ~ , а также функций выигрыша Ш и и
С А" С2'' у С1 С/ у
т
и ,и.
V
Р I (на рисунке не показаны). В блоках БС1 и БС2 реализуется определенный
С2’и су-
алгоритм [2] для задачи разрешения двух сигналов. Выражение, соответствующее упомянутому алгоритму, приводилось нами ранее [3].
Рисунок 2 - Оптимальная структура обнаружения одноканальных РУО
турникетного типа
Рассматривая оптимизированную структуру РУО и используя значения функций выигрыша [3] для применяемого критерия идеального наблюдателя, неравенство, определяющее алгоритм для задачи разрешения двух сигналов устройства обнаружения турникетного типа, запишем в следующем виде:
1 • ^ <С1 2 <С1 > 0 • ^ <С2 2 <С2 > 0 • ^ <С1 <С1 > 1 • <С2 ^ <с
»С2 .
откуда
с2
(6)
В блоке БПР на основании (6) производится сравнение результатов суммирования и выносится решение о пересечении объектом контролируемого периметра.
В результате на основании анализа задачи обнаружения и оценки параметров в РУО турникетного типа, определения влияния функций и отношения правдоподобия, а также функций выигрыша предложены реализация общей и оптимальной структуры
обнаружения одноканальных турникетных РД.
Библиографический список
1. Теоретические основы радиолокации [Текст] / Под ред. В.Е. Дулевича. - М.: Советское радио, 1978. - 608 с.
2. Тихонов, В. И. Статистический анализ и синтез радиотехнических устройств и систем [Текст] : учеб. пособие для вузов / В.И. Тихонов, В. Н. Харисов. - М. : Радио и связь, 2004. - 608 с.
3. Воловач, В.И. Реализация оптимальной структуры обнаружения
радиотехнических устройств охранной сигнализации [Текст] / В.И. Воловач // Электротехнические и информационные комплексы и системы. - 2009. - Т 5. - № 2. - С. 4349.
4. Артюшенко, В.М. Достоверность обнаружения объектов в системах охраны периметра при наличии сигнала «просачивания» [Текст] / В.М. Артюшенко, В.И. Воловач //
Проблемы и решения современной технологии: Сб. науч. трудов ПТИС. Вып. 6. Ч. II. -
Тольятти : ПТИС, 2000. - С. 3-6.
5. Воловач, В. И. Особенности реализации структуры обнаружения радиотехнических устройств охранной сигнализации, использующих принцип активной радиолокации [Текст] / В.И. Воловач // Известия Самарского научного центра РАН. Спец. выпуск «Наука - промышленности и сервису». Вып. 2. 2006 г. - Самара : Изд-во Самар. науч. центра РАН. - С. 145-150.
