Способ обнаружения и компенсации замаскированной шумами периодической импульсной последовательности

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ И КОМПЕНСАЦИИ ЗАМАСКИРОВАННОЙ ШУМАМИ ПЕРИОДИЧЕСКОЙ ИМПУЛЬСНОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ(71) Заявитель Учреждение образования Полоцкий государственный университет(72) Авторы Железняк Владимир Кириллович Барков Александр Валерьевич(73) Патентообладатель Учреждение образования Полоцкий государственный университет(57) Способ обнаружения и компенсации замаскированной шумами периодической импульсной последовательности, при котором обнаруживают упомянутую периодическую импульсную последовательность и компенсируют ее сформированной соответствующей противофазной импульсной периодической последовательностью, отличающийся тем,что разбивают исходную замаскированную шумами периодическую импульсную последовательность на временные отрезки равной длительности, осуществляют дискретное преобразование Фурье сигнала каждого отрезка, накапливают полученные гармонические составляющие отрезков импульсной последовательности и составляющие шума, получают спектр амплитуд, накопленных по линейному закону гармонических составляющих и накопленных по среднеквадратичному закону составляющих шума, определяют гармоническую составляющую с наибольшей амплитудой и определяют ее частоту, которую принимают равной частотеследования импульсов обнаруженной периодической импульсной последовательности, осуществляют фильтрацию упомянутого спектра амплитуд с обнулением составляющих спектра, не кратных , и получают спектр амплитуд восстановленной периодической импульсной последовательности из исходного 18542 1 2014.08.30 зашумленного сигнала, осуществляют обратное дискретное преобразование Фурье и получают восстановленную периодическую импульсную последовательность во временной области, нормируют амплитуды восстановленной периодической импульсной последовательности и сравнивают ее с замаскированной шумами периодической импульсной последовательностью по величине взаимной корреляции сигналов, при превышении упомянутой величиной установленного порогового значения принимают решение о соответствии восстановленной периодической импульсной последовательности исходной зашумленной, затем формируют в противофазе восстановленную периодическую импульсную последовательность и суммируют ее с исходной замаскированной шумами периодической импульсной последовательностью для их взаимной компенсации. Изобретение относится к области измерительной техники и технической кибернетики и может быть использовано в устройствах обнаружения и компенсации замаскированной шумами периодической импульсной последовательности в каналах утечки информации. Известен способ обработки случайных потоков импульсов, выполняемой в интересах получения информации о наличии полезных сигналов, оценки их параметров и выделения потоков импульсных сигналов, принадлежащих отдельным источникам радиоизлучения 1. Способ основан на методах совпадения импульсных сигналов и реализуется с применением накопителей на линиях задержки с положительной обратной связью. Недостатками этого способа являются ограниченные функциональные возможности из-за невыполнения функции фильтрации импульсных потоков. Наиболее близким по технической сущности к предложенному способу является способ измерения и подавления физических процессов (полей) окружающей среды самонастраивающимся опорным процессом (полем) 2, заключающийся в том, что по установленному начальному значению числа членов ряда частот (размерности сетки частот), фаз и амплитуд формируют конечное начальное число исходных косинусных гармонических составляющих, из которых суммированием синтезируют опорный электрический сигнал и преобразуют его в опорный физический процесс (поле). Излучением в окружающую среду преобразованным в опорный физический процесс (поле) синтезированным опорным электрическим сигналом воздействуют на физический процесс(поле) окружающей среды и в реальном масштабе времени осуществляют обратное преобразование результата взаимодействия опорного физического процесса (поля) с физическим процессом (полем) окружающей среды в электрический композиционный сигнал. Полученный электрический композиционный сигнал умножают раздельно по каждой частоте на косинусные и полученные из него дополнительные синусные гармонические составляющие с единичными амплитудами и фазами, сдвинутыми на 180 илирад относительно исходных косинусных составляющих опорного электрического сигнала. По результатам умножения раздельно по каждой косинусной и дополнительной синусной составляющим (квадратурной демодуляции) корректируют в соответствии с выбранным итерационным алгоритмом усреднения, например экспоненциальным сглаживанием,начальные значения амплитуд и фаз исходных косинусных гармонических составляющих и тем самым осуществляют для установленной размерности сетки частот на основе принципа отрицательной обратной связи самонастройку для каждой косинусной составляющей опорного сигнала начальных значений параметров - амплитуды и фазы. По полученным косинусным гармоническим составляющим со скорректированными параметрами вновь суммированием синтезируют на следующем временном такте уже скорректированный опорный сигнал и, соответственно, физический процесс (поле), которым излучением воздействуют на физический процесс (поле) окружающей среды. По результатам скорректированного воздействия на текущем такте и последующих тактах итерации непрерывно 2 18542 1 2014.08.30 повторяют описанные выше действия и после переходного процесса осуществляют за счет самонастройки параметров составляющих косинусных сигналов компенсацию энергии физического процесса (поля) окружающей среды преобразованным в эквивалентную энергию физического процесса (поля) синтезированным опорным процессом (полем). В результате самонастройки параметров косинусных составляющих опорного сигнала получают в реальном масштабе времени измеренные значения фаз и амплитуд косинусных составляющих и форму изменения физического процесса (поля) окружающей среды, и, тем самым энергию окружающей среды в динамике, которой компенсационно подавляют энергию физических процессов (полей) окружающей среды. Недостатком известного способа является отсутствие возможности обнаружения сигнала в шумах высокого уровня без учета возможности сложения амплитуд сигнала и шума. Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение возможности обнаружения и компенсации замаскированной шумами периодической импульсной последовательности в шумах высокого уровня при воздействии факторов помех, таких как белый шум, хаотическая импульсная последовательность, телеграфный сигнал, а также обеспечение возможности обнаружения и компенсации периодической импульсной последовательности в аддитивной смеси с шумом, в которой может меняться амплитуда сигнала за счет наложения шума. Поставленная задача решается за счет того, что в способе обнаружения и компенсации замаскированной шумами периодической импульсной последовательности, при котором обнаруживают упомянутую периодическую импульсную последовательность и компенсируют ее сформированной соответствующей противофазной импульсной периодической последовательностью, в отличие от прототипа, разбивают исходную замаскированную шумами периодическую импульсную последовательность на временные отрезки равной длительности, осуществляют дискретное преобразование Фурье сигнала каждого отрезка,накапливают полученные гармонические составляющие отрезков импульсной последовательности и составляющие шума, получают спектр амплитуд, накопленных по линейному закону гармонических составляющих и накопленных по среднеквадратичному закону составляющих шума, определяют гармоническую составляющую с наибольшей амплитудой и определяют ее частоту, которую принимают равной частотеследования импульсов обнаруженной периодической импульсной последовательности, осуществляют фильтрацию упомянутого спектра амплитуд с обнулением составляющих спектра, не кратных , и получают спектр амплитуд восстановленной периодической импульсной последовательности из исходного зашумленного сигнала, осуществляют обратное дискретное преобразование Фурье и получают восстановленную периодическую импульсную последовательность во временной области, нормируют амплитуды восстановленной периодической импульсной последовательности и сравнивают ее с замаскированной шумами периодической импульсной последовательностью по величине взаимной корреляции сигналов, при превышении упомянутой величиной установленного порогового значения принимают решение о соответствии восстановленной периодической импульсной последовательности исходной зашумленной. Сравнение и оценку обнаружения производят при помощи оптимального приема и порогового детектирования, выбор порога осуществляют по известным критериям оптимальности решений в задачах обнаружения сигналов 3. При превышении порогового значения принимают решение о соответствии восстановленной импульсной последовательности исходной, затем формируют в противофазе восстановленную периодическую импульсную последовательность и суммируют ее с исходной замаскированной шумами периодической импульсной последовательностью для их взаимной компенсации. На фиг. 1 приведен зашумленный сигнал, который представляет аддитивную смесь периодической импульсной последовательности и шума, ни фиг. 2 - исходная периодическая импульсная последовательность, фиг. 3 - спектр амплитуд зашумленного сигнала, на 3 18542 1 2014.08.30 фиг. 4 - спектр амплитуд зашумленного сигнала после фильтрации, на фиг. 5 - спектр амплитуд исходной периодической импульсной последовательности, на фиг. 6 - восстановленная периодическая импульсная последовательность, на фиг. 7 - разрушенный сигнал после компенсации, на фиг. 8 - спектр амплитуд разрушенного сигнала после компенсации. Предлагаемый способ осуществляют следующим образом. Входным параметром является зашумленный сигнал, который может содержать периодическую импульсную последовательность(фиг. 1). Зашумленный сигнал представляет собой аддитивную смесь периодической импульсной последовательности (фиг. 2) с белым гауссовым шумом. Присутствует периодическая импульсная последовательность в шумах или нет, изначально неизвестно. Неизвестны параметры периодической импульсной последовательности А - амплитуда- частота следования импульсов (1/ - период следования импульсов) и - частота импульса (и 1/и - длительность импульса). Зашумленный сигнал моделирует канал утечки информации. Разбиваем исходный зашумленный сигнал на отрезки равной длительности. Производим дискретное преобразование Фурье (ДПФ) каждого отрезка зашумленного сигнала и складываем их по формуле 1 1( ) , где- количество отрезков сигнала равной длины,- сигнал указан 0 ной длительности,- дискретное Фурье преобразование сигнала,- накопленное ДПФ отрезков сигнала. Получаем представление зашумленного сигнала в частотной области. Выделяем спектр амплитуд зашумленного сигнала (фиг. 3). По спектру амплитуд определяем гармонику с наибольшей амплитудой. Фиг. 3 показывает, что будет выделена гармоника с амплитудой 0,14 и частотой 2000 Гц. За частоты следования импульсовобнаруженной периодической импульсной последовательности принимаем частоту гармоники спектра амплитуд с наибольшей амплитудой, производим выделение этой гармоники, в данном случае это гармоника на частоте 2000 Гц. Этот параметр носит информативный характер, при правильном обнаружении данная частота будет соответствовать частоте следования импульсов . Производим фильтрацию спектра, обнуляя составляющие, не кратные основной частоте следования импульсов(значение этой частоты определили по спектру амплитуд ранее). Кратность частот определяем по формуле, где 0, 1, 2,- номер гармоники,- частота следования импульсов, в примере равно 2000 Гц. Спектр амплитуд после фильтрации представлен на фиг. 4. На фиг. 3 представлен спектр амплитуд исходной периодической импульсной последовательности. Видно, что после фильтрации сигналы незначительно отличаются амплитудами. Выполняем обратное дискретное преобразование Фурье (ОДПФ) и производим нормирование амплитуд восстановленной периодической импульсной последовательности по формуле/, где- обратное дискретное преобразованием Фурье- количество отрезков сигнала равной длительности, получаем восстановленный сигнал 1. Получаем восстановленную импульсную последовательность. Если сравнить импульсную последовательность из исходного сигнала (фиг. 2) и восстановленную импульсную последовательность после ОДПФ (фиг. 6), видно, что импульсная последовательность восстановлена с некоторыми искажениями по форме, однако значительно отличается от зашумленного сигнала (фиг. 1). Сравнение сигналов и принятие решения о восстановлении периодической импульсной последовательности из шума и ее соответствии исходной могут быть выполнены в виде взаимно-корреляционного устройства и порогового устройства, выбор порога осуществляется по известным критериям оптимальности решений в задачах обнаружения сигналов 3, с. 33. Сравниваем импульсные последовательности,принимаем решение о соответствии восстановленной импульсной последовательности исходной. Соответствие восстановленного сигнала исходному определяем с помощью оптимального приема и порогового устройства, выбор порога осуществляется по известным критериям оптимальности решений в задачах обнаружения сигналов 3, с. 33. За оценку 4 18542 1 2014.08.30 частоты следования периодической импульсной последовательности принимаем значение,равное 2000 Гц, что соответствует значению частоты следования импульсов в исходном сигнале. Осуществляем поворот восстановленного сигнала 1 (фиг. 6) в противофазе,получаем сигнал 1, таким образом, при сложении с зашумленным сигналомэтот сигнал разрушит посредством компенсации периодическую импульсную последовательность, которая была в зашумленном сигнале. Если определили наличие сигнала в шумах,то подаем управляющий сигнал 1, который устанавливает, что необходимо разрушить периодическую импульсную последовательность. Производим сложение сигналови 1, если принимаем управляющий сигнал 1, который подается в случае, если установили наличие периодической импульсной последовательность в шумах. На выходе получаем разрушенный сигнал 2 (фиг. 7), в котором скомпенсирована периодическая импульсная последовательность. Фиг. 8 представляет спектр разрушенного сигнала, который значительно отличается от спектра зашумленного сигнала (фиг. 3), и в нем отсутствуют признаки наличия сигнала в шумах, что говорит об успешном разрушении сигнала. Заявленный способ обладает следующими преимуществами обнаружение и компенсация периодической импульсной последовательности в шумах высокого уровня при воздействии факторов помех, таких как белый шум, хаотическая импульсная последовательность,телеграфный сигнал, обнаружение импульсной последовательности в аддитивной смеси с шумом, в которой может меняться амплитуда сигнала за счет наложения шума. Источники информации 1. Лезин Ю.С. Оптимальные фильтры и накопители импульсных сигналов. - М. Сов. радио, 1969. - С. 64, 82, 184. 2. Патент РФ 2391678, МПК 01 29/08, 2010 (прототип). 3. Охонский А.Г., Елисеев А.А., Каплунова Н.В., Кулин А.Н., Минько Э.В. Помехоустойчивость информационных радиосистем управления Учеб. пособие. - М. МГАП Мир книги, 1993. - С. 33. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6