专利名称:自适应局部最佳检测器的制作方法
自适应局部最佳检测器是一个信号检测系统。
在雷达、声纳、电报、数字电话、数据传输、遥控、遥感、地震勘探等等系统中，已有四类检测器，即参数检测器、非参数检测器(它包括最佳检测器与局部最佳检测器)、罗巴斯特(Robust)检测器及自适应检测器。参数检测器不能很好地在大强度、时变、非高斯噪波环境中检测弱信号;非参数检测器一般是不具有最佳性的;罗巴斯特检测器的结构参数仍然依赖于环境噪波统计特性，而且其性能指标难于满足某些要求;一般的自适应检测器，虽能调节检测器的结构和参数;使其适应环境噪波的变化，但它需要足够的学习期或训练时间，并且一般说来它的构造是很复杂的，难于在大强度、时变、非高斯环境噪波中最佳地检测信号。现有的这四类检测器，都不可能同时具有自适应、局部最佳、设计不利、恒虚警、动态范围压缩等属性。
自适应局部最佳检测器不同于已有的四类检测器中的任何一类，它同时具有自适应、局部最佳、设计不利、恒虚警、动态范围压缩等属性，解决了从大强度、时变、非高斯噪波中最好地检测弱确知信号的重大课题。
自适应局部最佳检测器的设计方法不同于已有的四类检测器中的任何一类，它是根据在雷达、声纳、电报、数字电话、数据传输、遥控、遥感、地震勘探等系统中噪波概率密度函数的特点，即其尾部高于高斯函数尾部而低于拉普拉斯密度函数尾部以及实际环境噪波的概率分布函数F(X)，来构造一个所谓不利密度函数，并记为fR(X)，它不是根据一类噪波找出的，而是每一个实际输入噪波都有一个fR(X)与之对应。还要指出，本检测器在设计时，没有直接利用输入噪波概率密度f(X)，而是间接利用了f(X)(用F(X)构造fR(X))。用这种方法设计出来的检测器，就是自适应局部最佳检测器。
图1是自适应局部最佳检测器原理方框图。
图2是可供采用的自适应局部最佳检测器电路图。
图3是自适应局部最佳检测器中局部最佳非线性变换实现流程图。
由图1可见自适应局部最佳检测器由三个部分组成第一部分是非线性环节〔1〕，与其它检测器有区别的是，它能够根据环境噪波而自动地变化。更重要的是，它不是按照环境噪波概率密度函数f(X)来设计，而是根据环境噪波概率分布函数F(X)来构造一个不利密度函数fR(X)，再按fR(X)来设计非线性环节，因此具有自适应性、恒虚警性等。输入信号经过非线性变换环节后，馈入第二部分。第二部分是信号的相关器〔2〕，其实现方法很多。第三部分是判决装置，在这里把相关器的输出与门限电压VT进行比较，确定信号是否存在，并根据信号存在的条件，估计出信号的参数，从而得到所需的信息。门限电压VT由要求的虚警率Pf决定。
图2所示为可供采用的自适应局部最佳检测器实现电路。其中，乘法器〔5〕与求和器〔6〕构成了信号相关环节，判决装置采用一个比较器来实现。被接收的信号、噪波混合波形的抽样序列值Xi，i＝1，2……经过自适应局部最佳非线性变换器〔4〕后，输出经过变换的序列Zi，Zi与有用信号Si在乘法器〔5〕相乘后再在求和器〔6〕进行求和，其输出与门限电压在比较器〔7〕进行比较后，其输出就是自适应局部最佳检测器的输出。
图3是自适应局部最佳检测器中的非线性环节实现电路图。被接收的信号、噪波混合波形的抽样值序列Xi，i＝1，2……存储在抽头延迟线〔8〕中，抽头延迟线共有奇数级(如9、17、33、65等)，正中一级抽样值为Xj，它是被检验的单元，其余各抽头的抽样值，分别经过平方装置〔9〕，每一个平方装置的输出分为两路，其中一路进入加法电路〔10〕，它将各平方装置的输出相加，从而估计出参考单元噪波的二阶矩M2，(由于在接收机中，噪波的直流成份被电容隔断，所以一阶矩为零。因此，即是二阶中心矩，也是二阶原点矩，以下同)。平方装置的另一路输出，再经过平方装置〔11〕，然后进入另一个求和的加法电路〔12〕，从而估计出参考单元噪波的四阶矩M4。由于在接收机中的噪波是均值为零的对称分布，所以M2、M4代表了前五阶矩。
检验单元的抽样值Xj经过除法器〔13〕，被开平方器〔14〕的输出相除，得到检验单元抽样值的规一化值Yi，Yi分为四路;第一路经过输入输出特性为Φ(y)- 1/2 的非线性放大器(Ⅰ)〔24〕，这里的Φ(y)是N(0，1)高斯分布函数。第二路是输给传输特性为标准高斯密度函数的非线性放大器(Ⅱ)〔19〕，得到输出φ(y)。第三路是输给立方装置〔25〕得到-Y3i，第四路是输给放大倍数为3的线性放大器〔17〕，然后经过加法器〔18〕与第三路输出的-Y3相加，得到3y-y3。再将(3y-y3)与第二路输出的φ(y)，在乘法器〔23〕相乘，得到(3y-y3)φ(y)。估计出的M2，分成两路，第一路经过开平方装置〔14〕送到除法器〔13〕中，完成Xj/<math><msqrt><mi>M</mi><msub><mi></mi><mi>2</mi></msub></msqrt></math>;第二路经过平方装置〔15〕和放大倍数为24的线性放大器〔16〕，得到24M22，再将24M22送到除法器〔26〕，在这里M4被24M22相除得到M2/24M22，再经过加法器〔22〕，与一常数-1/8相加得My/24M22-1/8并将其送到乘法器〔21〕，与乘法器〔23〕的结果(3y-y3)φ(y)相乘，得Z2i。最后将Z1i与Z2i相加得到Zi。
从数学上可以严格证明，图3所示装置的输入输出特性，是输入噪波的概率分布函数的横座上移1/2。所以它是实时地跟随环境噪波统计分布的变化而变化的，并能将输入的任意分布噪波，变换为(- 1/2 ， 1/2 )区间的均匀分布。故此种检测器同时具有自适应、局部最佳、设计不利，恒定虚警、动态范围压缩，不需要学习训练时间等优良特性，解决了目前尚未解决的从大强度、时变、非高斯噪波中检测确知弱信号的理论、技术与方法问题，并提供了具体设备。
本发明可用于声纳、雷达、电报、数字电话、数据传输、遥控、遥感、地震勘探等领域中，也能被应用于医学仪器中。
权利要求
1、这是一种信号检测系统，它包括信号相关部分[2]及判决装置[3]，其特征在于它的非线性变换环节是一个自适应局部最佳非线性变换器[1]；输入信号序列Xi进入自适应局部最佳非线性变换器，完成非线性变换后输出Zi，Zi与有用信号Si相乘，将各乘结果求和馈入判决装置，与一个比较电压VT进行比较，从而判决出“是”或“非”。
2、如权利要求
1所说的信号相关部分，其特征在于它是由乘法器〔5〕和求和器〔6〕构成;乘法器将自适应局部最佳非线性变换器的输出信号Zi与有用信号Si，i＝1，2……相乘，相乘结果在加法器求和后送入判决装置。
3、如权利要求
1所说的判决装置，其特征在于它可是一个比较器。
4、如权利要求
1所说的自适应局部最佳非线性变换环节，其特征在于设计方法是应用系统中的噪波概率密度函数的尾部具有高于高斯密度函数尾部而低于拉普拉斯密度函数尾部的特点和实际环境噪波概率分布函数F(X)来构造一个不利密度函数fR(X);fR(X)应当不是根据一类噪波找出的，而是每一个实际输入噪波都有一个fR(X)与之对应。
5、如权利要求
1所说的自适应局部最佳非线性变换环节，其特征在于它是由一个抽头延迟线〔8〕、三个平方装置〔9、11、15〕、一个开平方装置〔14〕、一个立方装置〔25〕、五个加法器〔10、12、18、20、22〕、二个非线性放大器〔19、24〕、二个线性放大器〔17、16〕及二个乘法器〔21、23〕组成;抽头延迟线中心一个抽头的抽样值做为被检测的单元，其余各抽头的抽样值分别经过平方装置，平方装置的两路输出之一进入加法电路进行叠加后，输出二阶矩M2;另一路输出经过另一个平方装置后进行再叠加，估计出参考单元噪波的四阶矩M4，M4与经过平方及线性放大的M2相除后，输出为M4/24M22;被检测单元的抽样值Xj与开平方后的M2相除后输出信号yi，此时Yi分成了四路一路经过非线性放大器(Ⅰ)〔24〕输出Zli;一路经过非线性放大器(Ⅱ)〔19〕输出为φ(y);第三路经立方后的输出信号与第四路经线性放大后的输出信号相加，得到了3y-y3，第二路的输出信号φ(y)与3y-y3相乘后，实现了(3y-y3)φ(y);M4/24M22经过加法器，与-1/8相加后，其输出在乘法器与(3y-y3)φ(x)相乘，输出Z2i;Z2i与Z1i在相加器求和后，即可输出Zi。
6、如权利要求
5所说的非线性放大器(Ⅰ)〔24)，其特征在于其输入输出特性函数可是Φ(y)- 1/2 ，Φ(y)是N(0，1)高斯分布函数。
7、如权利要求
5所说的非线性放大器(Ⅱ)〔19〕，其特征在于其输入输出特性可是标准高斯密度函数。
8、如权利要求
1、2所说的自适应局部最佳检测器和自适应局部最佳非线性变换器，其特征在于它可由数字电路、集成电路或混合式电路来实现。
专利摘要
自适应局部最佳检测器是根据雷达等系统中的噪波概率密度函数的特徵，即其尾部高于高斯函数尾部而低于拉普拉斯密度函数尾部和实际环境噪波的概率分布函数F(X)，构造一个不利密度函数fR(X)而设计的。它结构简单，极适用于弱信号情况，工作时不需要学习和训练时间，解决了从大强度、时变、非高斯噪波中最好地检测弱确知信号的重大课题。本检测器同时具有自适应，局部最佳，设计不利、恒虚警、动态范围压缩等属性和优点。
文档编号H04B1/10GK85102700SQ85102700
公开日1986年9月24日 申请日期1985年4月1日
发明者陈元亨, 刘家 申请人:四川大学导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan