Khảo sát đặc trưng chất lượng phát hiện của hệ thống radar nhiều vị trí với cấu trúc phụ thuộc sử dụng lý thuyết Copula
Phạm Văn Hùng, Nguyễn Đức Minh
KHẢO SÁT ĐẶC TRƯNG CHẤT LƯỢNG
PHÁT HIỆN CỦA HỆ THỐNG RADAR
NHIỀU VỊ TRÍ VỚI CẤU TRÚC PHỤ THUỘC
SỬ DỤNG LÝ THUYẾT COPULA
Phạm Văn Hùng*, Nguyễn Đức Minh+
* Học viện Kỹ thuật Quâ n sự
+ Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thô ng
Tóm tắt—Bài báo đề xuất một phương pháp đánh giá phát và nhiều máy thu đặt ở các vị trí phân tán trong không
chất lượng phát hiện của hệ thống mạng Radar nhiều vị trí gian được nhiều nhà khoa học quan tâm [6, 7, 9, 18, 19, 21,
xử lý phân tán (NVTXLPT) khi các quyết định từ những 22]. Nghiên cứu trong [6] tập trung vào việc tổng hợp các
đài radar thành phần không độc lập thống kê do hệ thống bộ phát hiện tối ưu và tựa tối ưu trong điều kiện tạp Gauss
chịu ảnh hưởng của các loại nhiễu không Gauss bằng cách cộng tính và thăng giáng Rayleigh trong tín hiệu phản xạ,
sử dụng công cụ toán học thống kê Copula. Bài toán phát tuy nhiên việc xây dựng bài toán luôn đi kèm giả thiết về
hiện trong mạng radar NVTXLPT được giải quyết với công tính độc lập thống kê cho thuộc tính của cả tạp và mục tiêu.
cụ toán học thống kê Copula bằng cách sử dụng một lớp Về mặt cấu trúc, phát hiện tựa tối ưu được xem xét giống
mục tiêu thăng giáng Swerling được khảo sát cho thấy sự
Lý thuyết phát hiện RNVT-XLPT lần đầu tiên được đưa
phù hợp của phương pháp này. Nội dung bài báo cũng đề ra bởi [18]. Ngưỡng phát hiện tối ưu theo tiêu chuẩn
cập đến việc khảo sát và đánh giá các quy luật hợp nhất dữ Neyman-Pearson và chất lượng phát hiện của hệ thống đã
liệu (AND, OR và Majority) tại trung tâm hợp nhất cũng được đánh giá với mục tiêu pha đinh Rayleigh cho trường
như chất lượng phát hiện của hệ thống mạng radar hợp mạng bao gồm 2 và 3 đài radar thành phần có các quyết
NVTXLPT trong một số trường hợp cụ thể. Kết quả cho định độc lập thống kê. Các quy luật hợp nhất ở trung tâm
thấy chất lượng phát hiện của hệ thống bị ảnh hưởng nhiều được sử dụng là AND, OR và Majority Logic. Sau đó, lý
bởi mối tương quan giữa các quyết định từ các đài radar thuyết phát hiện này tiếp tục được phát triển cho các quy
thành phần. Chất lượng phát hiện của hệ thống giảm đi khi luật hợp nhất khác nhau với các mô hình mục tiêu Swerling
hệ số tương quan giữa các đài radar âm.
thiết về sự độc lập thống kê của tạp và tín hiệu thu phân
tán. Tuy nhiên, khi tạp trong các đài radar thành phần
không độc lập thống kê thì mức độ phức tạp trong tính toán
được nâng lên và bước đầu đã được xem xét trong một số
đều trong tạp Gauss và Laplace, đã đưa ra được công thức
xác định ngưỡng và xác suất phát hiện phụ thuộc vào hệ số
tương quan giữa các quyết định thành phần. Trong khi đó,
các tác giả trong [3, 9] quan tâm đến bài toán phát hiện
trong mạng cảm biến khi các quyết định có sự tương quan
lẫn nhau.
trong hệ thống RNVT-XLPT, với sự tương quan đều trong
các quyết định thành phần. Bài toán đã được giải quyết chỉ
với một số trường hợp của nhiễu có phân bố Eliptic do sự
hạn chế trong việc xây dựng mô hình toán học các phân bố
nhiều chiều và gánh nặng tính toán. Một số kết quả quan
trọng trong đánh giá chất lượng phát hiện đã được đưa ra
Từ khóa— Copula, mô hình phụ thuộc, nhiễu không
Gauss, radar nhiều vị trí, phát hiện phân tán.
I. GIỚI THIỆU CHUNG
Hệ thống radar nhiều vị trí xử lý phân tán (RNVT-
XLPT) và hệ thống radar nhiều vị trí xử lý tập trung
(RNVT-XLTT) là hai lớp trong phân loại hệ thống radar
nhiều vị trí (RNVT). Hệ thống RNVT-XLTT luôn cho một
kết quả phát hiện tối ưu nhất do không có sự mất mát thông
tin. Tuy nhiên, hệ thống RNVT-XLTT có cấu trúc phức tạp
tại trung tâm hợp nhất và yêu cầu về băng thông lớn khi
khối lượng tính toán khổng lồ và tăng lên nhanh chóng theo
số lượng các đài radar thành phần trong mạng. Để khắc
phục vấn đề này, hệ thống RDNVT-XLPT với các quyết
định thành phần phân tán và một trung tâm hợp nhất dữ
liệu cho thấy hiệu quả cả về tính đơn giản trong cấu trúc,
băng thông hẹp mà chất lượng phát hiện suy giảm không
Tác giả liên lạc: Nguyễn Đức Minh,
Email: [email protected]u.vn
Đến toàn soạn: 9/2020, chỉnh sửa: 10/2020, chấp nhận đăng: 10/2020
SOÁ 03 (CS.01) 2020
TAÏP CHÍ KHOA HOÏC COÂNG NGHEÄ THOÂNG TIN VAØ TRUYEÀN THOÂNG
124
KHẢO SÁT ĐẶC TRƯNG CHẤT LƯỢNG PHÁT HIỆN CỦA HỆ THỐNG RADAR NHIỀU VỊ TRÍ ……..
và cho thấy ưu điểm của hệ thống RNVT-XLPT trong một
Ô phân giải radar
số trường hợp và quy luật hợp nhất.
Lý thuyết Copula, cho phép xây dựng một phân bố nhiều
biến từ mô hình phụ thuộc và các phân bố biên, đang rất
thuộc của các quyết định thống kê trong hệ thống radar.
Thử nghiệm với những tính toán số học cụ thể cũng được
Trạm phát/
thu 1
...
Trạm thu 2
Trạm thu 3
Trạm thu d
đưa ra với hệ thống gồm 1 trạm phát và 2 trạm thu ứng
dụng các họ Copula 2 biến khác nhau. Kết quả cho thấy
chất lượng phát hiện của phương pháp này khi quan tâm
đến yếu tố không độc lập thống kê vượt trội hơn so với mô
hình độc lập thống kê.
Trung tâm
hợp nhất
Các tác giả trên hoặc là đã giả thiết các quyết định thành
giới hạn tính toán cho một số trường hợp phân bố nhiễu cụ
trường hợp nhiễu không Gauss vẫn chưa được nghiên cứu.
Do đó, để mô hình hóa sự phụ thuộc của các quyết định
thành phần trong nhiễu không Gauss, nội dung bài báo này
đề xuất phương pháp mô hình hóa sự phụ thuộc dựa vào
công cụ toán học Copula, từ đó khảo sát chất lượng phát
hiện của mạng RNVT-XLPT trong một số trường hợp cụ
thể. Phần còn lại của bài báo được tổ chức như sau: Phần 2
trình bày một số cơ sở về lý thuyết phát hiện trong mạng
radar phân tán, phát hiện mục tiêu trong nhiễu phân bố K
và lý thuyết Copula. Phần 3 là bài toán phát hiện mục tiêu
trong hệ thống RNVT-XLPT, bao gồm phương pháp mô
hình hóa sự phụ thuộc dựa vào Copula cùng với các quy
luật hợp nhất dữ liệu. Các kết quả về đánh giá chất lượng
phát hiện của hệ thống theo các tiêu chí cụ thể và thảo luận
được đưa ra trong phần 4. Phần 5 là một số nhận xét và kết
luận.
Hình 1. Cấu trúc hệ thống RNVT-XLPT
Tín hiệu đầu vào máy thu được ký hiệu là
Zi
(i =1, ,
, với
w , gi¶ thuyÕt H0
i
Z =
(1)
i
w + si , gi¶ thuyÕt H1
i
w
với
là thành phần nhiễu ở đầu vào mỗi máy thu và được
i
giả thiết là phụ thuộc lẫn nhau; si là thành phần tín hiệu
phản xạ ở đầu vào máy thu thứ i.
Kiểm định tỉ số hợp lý tại mỗi trạm được thực hiện và
đưa ra các quyết định nhị phân:
0, kh«ngcãmôctiªu
a =
(2)
i
1,
cãmôctiªu
Sau đó, trung tâm tiến hành hợp nhất dữ liệu các dữ liệu
ai từ các trạm thành phần bằng việc kiểm định một tỉ số
hợp lý khác và đưa ra quyết định cuối cùng:
P(a | H1) P(a1,a2 ,...,ad | H1)
(a) =
=
P(a | H0 ) P(a1,a2 ,...,ad | H0 )
II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
(3)
H
... fZ ...Z (Z1,...,Zd | H1)dZ1...dZd
1
a a
1
d
1
d
=
A. Bài toán phát hiện trong mạng radar phân tán
... fZ ...Z (Z1,...,Zd | H0 )dZ1...dZd
H
a a
0
1
d
1
d
Xem xét một hệ thống RNVT-XLPT trên Hình 1. Hệ
thống bao gồm một trạm phát và nhiều trạm thu được bố
trí phân tán, cùng với đó là một trung tâm hợp nhất dữ liệu.
Các đài radar thành phần thu nhận dữ liệu từ trạm phát và
đưa ra quyết định của riêng mình về việc có hoặc không có
mục tiêu. Các quyết định này được truyền về trung tâm hợp
nhất, tại đây với một quy luật hợp nhất cụ thể trung tâm sẽ
đưa ra quyết định cuối cùng về việc có hoặc không có mục
tiêu.
Bài toán kiểm định giả thuyết thống kê radar gồm: giả
thuyết H1 (giả thuyết về có mục tiêu) và H0 (giả thuyết về
không có mục tiêu). Giả thuyết H0 có thể là trường hợp chỉ
có tạp, nhiễu hoặc cả tạp + nhiễu.
P(a| Hi )
i ={0,1}
Ở đây,
với
là xác suất nhận vector
Hi fZ (Z | H0,1)
a
quyết định trong điều kiện giả thuyết
là hàm mật độ xác suất liên kết của các tín hiệu đầu vào
Zi
,
máy thu
với giả thuyết tương ứng, λ là mức ngưỡng ở
trung tâm phụ thuộc vào xác xuất báo động lầm yêu cầu
của hệ thống. Rõ ràng, nếu coi tất cả các quyết định thành
phần là độc lập thống kê và thiết lập một mức ngưỡng
chung cho tất cả các đài thì (3) là đối xứng với tất cả các
quyết định. Khi đó, bài toán trở về giống với trường hợp
liên kết đơn giản là tích của các hàm mật độ và hàm phân
bố xác suất thành phần.
Bài báo này sẽ xem xét giả thiết các quyết định thành
phần là phụ thuộc thống kê (trường hợp tổng quát) để khảo
sát chất lượng phát hiện của hệ thống RNVT-XLPT trong
nhiễu không Gauss, cụ thể là nhiễu phân bố K.
B. Phát hiện mục tiêu trong nhiễu phân bố K
Khi độ phân giải của radar tăng lên và với điều kiện môi
trường nhất định thì thuộc tính thống kê của nhiễu không
SOÁ 03 (CS.01) 2020
TAÏP CHÍ KHOA HOÏC COÂNG NGHEÄ THOÂNG TIN VAØ TRUYEÀN THOÂNG
125
Phạm Văn Hùng, Nguyễn Đức Minh
nhiễu không Gauss đã được đưa ra trong các nghiên cứu của một phân bố đa biến có thể được phân tích tách biệt
[24]. Ở đây, chúng tôi quan tâm đến mô hình thống kê
nhiễu là phân bố K phức hợp, thăng giáng trong tín hiệu
Xác suất phát hiện mục tiêu thăng giáng trên nền
khỏi các phân bố biên của nó. Do vậy, để nghiên cứu cấu
trúc phụ thuộc của một phân bố đa biến người ta tập trung
vào Copula của nó.
Cũng theo lý thuyết này, hàm mật độ xác suất (PDF) của
hàm phân bố tích lũy (CDF) của F trong (9) có thể được
tìm thấy từ PDF của C và F , . PDF c của Copula C
P (Nt , Xt ,Y, K) =
D
1
(4)
0
Y
p(t | Xt , K) p(s | Nt ,t)ddt
trong (9) là:
dC(u1,
u1
Trong đó,
N
t - số lượng xung tích lũy không tương can,
c(u1, =
(10)
- tham số thăng giáng mục tiêu, - ngưỡng phát hiện
K
Y
Khi hàm mật độ Copula c biết trước được thì hàm mật
chuẩn hóa qua công suất tạp,
s
và Xt được cho bởi,
độ f của phân bố đa biến F trong (9) được cho bởi:
Nt
Nt
yn
En
d
s =
and X =
(5)
p
p
t
f (x1, = )
(x ) (11)
i
n=1
n=1
c
c
i=1
N
En
tương ứng là tổng của t đầu ra máy thu và kỳ vọng
với fi là hàm mật độ của phân bố i . Công thức (11) được
F
của chúng được trung bình qua công suất nhiễu c . Hàm
p
gọi là sự biểu diễn chính tắc của một PDF đa biến.
Chi tiết về lý thuyết Sklar và một số họ Copula phổ biến
cùng với các ứng dụng của nó có thể được tìm thấy trong
Gauss, một họ Copula eliptic phổ biến, bởi chúng có thể
được áp dụng một cách trực tiếp để mô hình hóa sự phụ
thuộc đa biến từ các phân bố biên.
s
(N −1)/2
t
s
p(s | N , X ) =
e−(s+X )IN −1(2 sXt ),
t
t
t
t
(6)
Xt
(s 0).
Nhiễu phân bố K là sự kết hợp của nhiễu phân bố Gauss
với công suất trung bình bị điều chế bởi quy luật Gamma
[24]. Do đó, để có được xác suất phát hiện cuối cùng, ta
cần tích phân (4) qua hàm mật độ Gamma:
III. MÔ HÌNH BÀI TOÁN PHÁT HIỆN MỤC TIÊU
TRONG HỆ THỐNG RNVT-XLPT VỚI CẤU TRÚC
PHỤ THUỘC COPULA
P (Y, Nt , Xt , K,v, pc )
D
v
A. Mô hình phụ thuộc Copula Gauss
vx
v
xv−1
P (N , X ,Y,K | p )
e− dx
(7)
pc
= 0
D
t
t
c
pc (v)
CPG (u1,...,ud ) = P (−1(u1),...,−1(ud ))
(12)
v
ở đây, là tham số hình dạng của phân bố Gamma, thay
nhiễu, (7) có phân bố K dạng tường minh. Nói chung, (4)
phép tích phân số bằng phương pháp Gauss-Laguerre trong
[8] để có được (7). Từ đó, hàm phân bố tích lũy được xác
định theo (8).
Ở đây,
P là hàm phân bố Gauss đa biến với ma trận tương
quan P xác định dương;
bố và phân bố nghịch đảo Gauss đơn biến.
và −1 tương ứng là hàm phân
Từ (9) và Copula Gauss (12), có thể thấy rằng: với
d
(x1,..., xd )
là các biến ngẫu nhiên có hàm phân bố
biên F , , ta có thể xác định hàm phân bố liên kết đa
1
F (Y) =1− P (Y, Nt , Xt ,K,v, pc )
(8)
D
biến với cấu trúc phụ thuộc theo Copula Gauss như sau:
FPG (x , , =
C. Lý thuyết Copula
1
(13)
P (−1(F (x )), −1(xd )))
cứu về Copula. Phát biểu chính của định lý này được cho
1
1
d
Các hàm và −1 là các hàm đơn điệu tăng nên sự tương
F
i
x , d
quan của các biến
và sự tương quan của
Cho F là một hàm phân bố d-chiều cùng với các phân
1
F ,
bố biên
. Với mọi x trong trong tập xác định của
F (x ), )
có xu hướng giống nhau. Do đó, với
1
1
1
F, tồn tại một Copula C có d-chiều sao cho
F(x , d =
cách mô hình hóa này thì ma trận tương quan P trong cấu
trúc Copula sẽ phản ánh cấu trúc phụ thuộc giữa các biến
(9)
1
1
x ,
. Ma trận P có dạng sau:
1
F ,
Nếu các hàm
liên tục thì C là duy nhất. Với các
1
1
12
1
trường hợp còn lại, C được xác định là duy nhất trên
RanF
d . Ở đây, RanH là hạng của H. Ngược
21
1
P =
(14)
F , ,F
lại, nếu C là một Copula d-chiều và
là các hàm
1
d1 d 2
phân bố thì hàm F được định nghĩa bởi (9) là một hàm
F ,
phân bố d-chiều với các phân bố biên
.
1
ở đây, các hệ số tương quan
phải thỏa mãn
ij (i, j =1,d)
Định lý Sklar bảo đảm rằng một phân bố đa biến liên tục
có thể được tách thành hai thành phần: các phân bố biên
đơn biến và sự phụ thuộc đa biến, với cấu trúc phụ thuộc
được biểu diễn bởi một Copula. Vì thế, cấu trúc phụ thuộc
điều kiện xác định dương của ma trận tương quan P.
Một lưu ý quan trọng là hàm Copula Gauss được xác
định hoàn toàn bởi ma trận tương quan P. Tham số này
SOÁ 03 (CS.01) 2020
TAÏP CHÍ KHOA HOÏC COÂNG NGHEÄ THOÂNG TIN VAØ TRUYEÀN THOÂNG
126
KHẢO SÁT ĐẶC TRƯNG CHẤT LƯỢNG PHÁT HIỆN CỦA HỆ THỐNG RADAR NHIỀU VỊ TRÍ ……..
được yêu cầu như là đầu vào cho trước của mô hình liên tương ứng là:
quan đến sự phụ thuộc của các phân bố biên.
P = P(a1 =1,a2 =1,a3 =1| H0 )
FA
B. Một số giả thiết
(17)
(18)
fZ (Z | H0 )dZ
=
Trong phần này, sẽ xem xét bài toán phát hiện trong hệ
thống RNVT-XLPT khi các quyết định thành phần phụ
thuộc thống kê theo Copula Gauss được đề xuất ở 3.1,
trong điều kiện nhiễu phân bố K. Trước khi tổng hợp các
quy luật hợp nhất, một số giả thiết được đưa ra như sau:
i). Kiểm định tỉ số hợp lý theo tiêu chuẩn Neyman-
Pearson ở trung tâm hợp nhất;
t0 t0 t0
= FPG (t0 ,t0 ,t0 | H0 )
P = FPG (t0 ,t0 ,t0 | H1)
D
FPG (.)
ở đây, t0 trong hàm
là kí hiệu cho biết cận lấy tích
phân xác suất trong (1.16) là [t0 ,+)
.
Quy luật MAJORITY
ii). Mức ngưỡng được xác định chung cho tất cả các đài
thành phần;
Quy luật này phát biểu rằng trung tâm hợp nhất dữ liệu
iii). Các quyết định thành phần phụ thuộc theo Copula ra quyết định có mục tiêu khi có từ đa số các quyết định
Gauss với ma trận tương quan P, thỏa mãn điều kiện ma thành phần là có mục tiêu. Với trường hợp 3 đài đang xét,
trận xác định dương.
thì quyết định có mục tiêu khi có từ 2 quyết định thành
Giả thiết đầu tiên cho thấy, để đánh giá chất lượng phát phần trở lên là có mục tiêu. Xác suất báo động lầm tổng thể
hiện phân tán thì ta cần cho trước một xác suất báo động được tổng hợp theo:
t
0
lầm tổng thể ở trung tâm FA . Dựa vào giả thiết thứ hai,
P
= f (Z | H )dZ+
P
fZ (Z | H0 )dZ
fZ (Z | H0 )dZ
FA
Z
0
chúng ta có thể tính toán được mức ngưỡng tối ưu duy nhất
t0 ứng với từng quy luật hợp nhất, và nó được sử dụng
t0 t0 t0
t0 t0
t0
0
t
0
(19)
chung cho tất cả các đài thành phần. Mặc dù, về mặt thực
tế, mức ngưỡng các đài thành phần có thể khác nhau,
nhưng để đơn giản bài toán xác định ngưỡng tối ưu chúng
tôi đã giả thiết là mức ngưỡng đồng nhất cho các đài. Mức
ngưỡng tối ưu riêng cho từng đài sẽ được tiếp tục phát triển
trong các nghiên cứu sau. Giả thiết cuối cùng là điều kiện
để cho phép mô hình hóa sự phụ thuộc thông qua Gauss
+ f (Z | H )dZ+
Z
0
t0 0 t0
0 t0 t0
= FPG (t0 ,t0 ,t0 | H0 ) + FPG (t0 ,t0 ,t0 | H0 )
+FPG (t0 ,t0 ,t0 | H0 ) + FPG (t0 ,t0 ,t0 | H0 )
Xác xuất phát hiện cũng được tổng hợp theo cách tương tự
H0 H1
khi thay giả thuyết
bằng giả thuyết
trong (18).
Copula. Sau đó, xác suất phát hiện
P
được tính cho từng
D
P
= FPG (t0,t0,t0 | H1)+ FPG (t0,t0,t0 | H1)
+FPG (t0,t0,t0 | H1)+ FPG (t0,t0,t0 | H1)
D
(20)
quy luật hợp nhất.
Bản chất của phân bố đa biến trong (13) chính là phép
tính tích phân xác suất của hàm mật độ xác suất liên kết đa
biến phân bố Gauss. Bài toán trở nên khó khăn nếu số đài
tăng lên, ngay cả khi số đài chỉ từ 3. Ngoài các quy luật
hợp nhất được chỉ ra dưới đây, các quy luật hợp nhất còn
lại là sự tổng hợp của các hoán vị của các cận lấy tích phân
trong hàm phân bố nhiều chiều (13). Do vậy, ở đây đưa ra
3 quy luật hợp nhất AND, OR và MAJORITY như là một
ví dụ cho việc hợp nhất dữ liệu từ 3 đài thành phần khi các
quyết định phụ thuộc theo Copula Gauss.
Các công thức (18) và (19) có thể được rút gọn thành
(20) và (21) nếu các tham số phân bố biên là giống nhau và
ma trận tương quan P đồng nhất.
P = FPG (t0 ,t0 ,t0 | H0 ) +3FPG (t0 ,t0 ,t0 | H0 )
(21)
FA
P = FPG (t0 ,t0 ,t0 | H1) +3FPG (t0 ,t0 ,t0 | H1)
(22)
D
IV. ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG PHÁT HIỆN
Trong phần này, chúng tôi đưa ra một vài ví dụ để đánh
giá chất lượng phát hiện của hệ thống RNVT-XLPT với
mô hình sự phụ thuộc của các quyết định thành phần được
đề xuất ở trên.
C. Các quy luật hợp nhất dữ liệu
Quy luật OR
Trước hết, xem xét sự phụ thuộc chất lượng phát hiện
của hệ thống vào sự phụ thuộc (tương quan) giữa các quyết
định thành phần. Để thực hiện điều này, giả thiết các tham
số thống kê của nhiễu tại 3 đài là như nhau: Tỷ số nhiễu/tạp
(CNR) là 10 dB, tham số hình dạng của nhiễu phân bố K
=1. Hệ số tương quan đều giữa các quyết định cũng
Với quy luật này, trung tâm hợp nhất sẽ đưa ra quyết
định có mục tiêu khi có ít nhất một quyết định thành phần
t0
là có mục tiêu. Ngưỡng có thể tính được khi cho trước
P
xác suất báo động lầm tổng thể là
theo (14),
FA
P =1− P(a1 = 0,a2 = 0,a3 = 0 | H0 )
FA
được giả thiết với hệ số tương quan
. Ngoài ra, để đảm
t0 t0 t0
(15)
(16)
fZ (Z | H0 )dZ
=1−
bảo điều kiện xác định dương của ma trận P, các khảo sát
0 0 0
chất lượng phát hiện của hệ thống được tiến hành với
=1− FPG (t0 ,t0 ,t0 | H0 )
(−0.5,1]
nằm trong khoảng
. Khác với các ứng dụng trong
Xác suất phát hiện tương ứng là:
thông tin, ở đây xác suất báo động lầm tổng thể tại trung
tâm được khảo sát với giá trị rất nhỏ, cỡ 10-6 và 10-8 (thậm
chí có thể nhỏ hơn). Điều này là phù hợp với trường hợp
bài toán phát hiện trong radar, mạng radar.
P =1− FPG (t0 ,t0 ,t0 | H1)
D
Quy luật AND
Quyết định có mục tiêu được đưa ra với quy luật này chỉ
khi tất cả các quyết định thành phần đều quyết định có mục
tiêu. Các công thức xác suất báo động lầm và phát hiện
SOÁ 03 (CS.01) 2020
TAÏP CHÍ KHOA HOÏC COÂNG NGHEÄ THOÂNG TIN VAØ TRUYEÀN THOÂNG
127
Phạm Văn Hùng, Nguyễn Đức Minh
Hình 2. Xác suất phát hiện PD theo
(PFA = 10-6)
Hình 4. Xác suất phát hiện PD theo SIR (PFA = 10-6)
Một điều khá đặc biệt, xu hướng thay đổi chất lượng
giữa 3 quy luật là khác nhau ứng với SIR khác nhau. Ở
vùng có SIR nhỏ, quy luật AND cho một chất lượng phát
hiện vượt trội hơn cả, trong khi chất lượng phát hiện tốt
hơn cả là quy luật OR ở vùng có SIR lớn. Điều này cũng
gợi ý cho việc sử dụng hợp lý các quy luật hợp nhất ứng
với các trường hợp khác nhau của SIR để có chất lượng
phát hiện tốt nhất.
Hình 3. Xác suất phát hiện PD theo
(PFA = 10-8)
Hình 2 và Hình 3 là các đồ thị xác suất phát hiện theo hệ
số tương quan đều ứng với 3 quy luật hợp nhất OR,
MAJORITY và AND. Trong đó, tỉ số tín/nhiễu +tạp (SIR)
10 dB và 15 dB được khảo sát. Dễ dàng thấy rằng, sự tương
quan âm trong số các quyết định thành phần cải thiện một
cách đáng kể chất lượng phát hiện của hệ thống. Ngoài ra,
quy luật hợp nhất OR cho thấy sự kém nhạy hơn với hệ số
tương quan và nó cũng có chất lượng kém hơn so với các
quy luật AND và MAJORITY.
Hình 5. Xác suất phát hiện PD của các quy luật hợp
nhất khi
thay đổi (PFA = 10-8).
Cuối cùng, ta xem xét chất lượng phát hiện của hệ thống
với các mô hình mục tiêu Swerling khác nhau như là minh
chứng cho tính hữu dụng của phương pháp mô hình hóa sự
phụ thuộc đã đề xuất. Để có sự khác biệt giữa các mô hình
mục tiêu Swerling 1-2 và mô hình 3-4, số xung tích lũy
không tương can của các đài thành phần được giả thiết cùng
là 10 xung. Các giả thiết khác là không thay đổi.
Tiếp theo, Hình 4 và Hình 5 là một so sánh cụ thể hơn
chất lượng phát hiện của các quy luật hợp nhất phụ thuộc
vào SIR và cả hệ số tương quan
. Rõ ràng, chất lượng
phát hiện của cả 3 quy luật đều phụ thuộc khá mạnh (trừ
quy luật OR) vào hệ số tương quan.
SOÁ 03 (CS.01) 2020
TAÏP CHÍ KHOA HOÏC COÂNG NGHEÄ THOÂNG TIN VAØ TRUYEÀN THOÂNG
128
KHẢO SÁT ĐẶC TRƯNG CHẤT LƯỢNG PHÁT HIỆN CỦA HỆ THỐNG RADAR NHIỀU VỊ TRÍ ……..
Hình 8. Xác suất phát hiện PD của quy luật hợp nhất
AND và OR theo các mô hình Swerling (PFA = 10-6,
= +0.5 ).
Hình 6-8 còn chứng minh thêm việc chất lượng phát hiện
của hệ thống ứng với quy luật hợp nhất OR ít chịu ảnh
hưởng hơn bởi sự phụ thuộc trong các quyết định thành
phần. Sự thay đổi hệ số tương quan hầu như chỉ làm thay
đổi ranh giới phân chia xu hướng phát hiện các mục tiêu
Swerling với quy luật hợp nhất OR. Trong khi đó, chất
lượng phát hiện các mục tiêu Swerling của quy luật AND
bị thay đổi lớn khi thay đổi hệ số tương quan
.
V. KẾT LUẬN
Trong bài báo này, một phương pháp mô hình hóa sự
phụ thuộc của các quyết định thành phần trong hệ thống
radar nhiều vị trí xử lý phân tán dựa vào một họ Copula
Eliptics đã được trình bày. Copula Gauss được lựa chọn
bởi khả năng áp dụng trực tiếp của chúng. Phương pháp mô
hình hóa này cho phép phân tích tách biệt yếu tố phụ thuộc
với các phân bố biên của các quyết định thành phần. Do
đó, bài toán phát hiện có thể được giải quyết với các phân
bố nhiễu khác nhau trong radar. Ma trận tương quan P là
tham số duy nhất để đánh giá sự phụ thuộc thống kê. Sau
đó, mô hình bài toán phát hiện trong hệ thống của 3 đài
thành phần đã được đưa ra tương ứng với các quy luật hợp
nhất khác nhau. Cuối cùng, bài báo tiến hành đánh giá chất
lượng phát hiện của hệ thống trong một số trường hợp cụ
thể. Các kết quả chỉ ra rằng, chất lượng phát hiện tổng thể
của hệ thống phụ thuộc nhiều vào mức độ tương quan trong
các quyết định thành phần. Mặc dù quy luật hợp nhất OR
ít chịu ảnh hưởng nhất bởi hệ số tương quan, song nó lại có
chất lượng kém hơn so với các quy luật hợp nhất còn lại.
Ngoài ra, chất lượng phát hiện của hệ thống với các mô
hình mục tiêu Swerling cũng đã được khảo sát. Các kết quả
ở đây cũng cho một gợi ý trong việc sử dụng các quy luật
hợp nhất ở trung tâm để đạt được chất lượng phát hiện tốt
nhất, ứng với các mô hình mục tiêu khác nhau và các mục
tiêu có SIR khác nhau.
Hình 6. Xác suất phát hiện PD (PFA = 10-6, = −0.4
)
Hình 7. Xác suất phát hiện PD (PFA = 10-6, = 0
)
Dựa vào đồ thị trên Hình 6-8, các đường cong xác suất
phát hiện các mục tiêu Swerling vẫn có xu hướng ngược
nhau ứng với vùng SIR nhỏ và lớn, giống với xu hướng
giới của các vùng SIR này ngoài phụ thuộc vào xác suất
báo động lầm PFA thì nó còn phụ thuộc lớn vào hệ số tương
quan trong các quyết định thành phần. Hình 7 là chất lượng
phát hiện của hệ thống trong điều kiện các quyết định thành
phần không tương quan = 0 . Đối với quy luật hợp nhất
REFERENCES
[1]. V. Aalo and R. Viswanathou: "On distributed detection
with correlated sensors: two examples," IEEE Trans. on
Aeros. and Elec. Systems 25 (1989) 414 (DOI:
10.1109/7.30797).
AND, chất lượng phát hiện trong trường hợp này bị suy
giảm nhiều so với trường hợp tương quan âm nhưng lại tốt
hơn so với trường hợp tương quan dương.
[2]. I. Antipov: Analysis of Sea Clutter Data (DSTO Electronic
and Surveillance Research Laboratory, ofAustralia, 1998)
45.
[3]. R. S. Blum and S. A. Kassam: "Optimum distributed
detection of weak signals in dependent sensors," IEEE
Trans. on Infor. Theory 38 (1992) 1066 (DOI:
10.1109/18.135646).
[4]. U. Cherubini, et al.: Copula Methods in Finance (Wiley,
England, 2013) 308.
[5]. S. Choi, et al.: "Copula based dependence modeling for
inference in RADAR systems," (2015) 198 (DOI:
10.1109/RadarConf.2015.7411879).
[6]. E. Conte, et al.: "Multistatic radar detection: synthesis and
comparison of optimum and suboptimum receivers," IEE
Proc. F - Commun. Radar and Signal Proc. 130 (1983) 484
(10.1049/ip-f-1:19830078).
SOÁ 03 (CS.01) 2020
TAÏP CHÍ KHOA HOÏC COÂNG NGHEÄ THOÂNG TIN VAØ TRUYEÀN THOÂNG
129
Phạm Văn Hùng, Nguyễn Đức Minh
[7]. E. D'Addio, et al.: "Optimum and sub-optimum processors
for multistatic radar systems," IEE Radar, Sonar, Nav. and
Avi. 01 (1987) 117 (DOI: 10.1049/PBRA001E_ch).
[8]. P. J. Davis, et al.: Methods of Numerical Integration
(Elsevier Inc, Academic Press, 1984) 612.
THE DETECTION PERFORMANCE OF THE
MULTISTATIC RADAR SYSTEM WITH THE
COPULA-BASED DEPENDENCE STRUCTURE
[9]. E. Drakopoulos and C.-C. Lee: "Optimum multisensor
fusion of correlated local decisions," IEEE Trans. on Aeros.
and Elect. Systems 27 (1991) 2489 (DOI:
10.1109/7.85032).
[10]. F. Durante and C. Sempi: Copula Theory and Its
Applications (Springer-Verlag, Berlin Heidelberg, 2009)
327.
[11]. T. P. Leonard, et al.: "A comparison of radar sea clutter
models," IEE International Radar Conference (2002) 429
(DOI: 10.1109/radar.2002.1174742).
[12]. J. Marcum: "A statistical theory of target detection by
pulsed radar," IRE Trans. on Infor. Theory 6 (1960) 59
(DOI: 10.1109/tit.1960.1057560).
[13]. N. Đ. Minh, et al.: "Ảnh hưởng của nhiễu tương quan với
phân bố Student-t tới chất lượng phát hiện của mạng radar
nhiều vị trí phân tán," Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân
sự Số 56 (08/2018)
[14]. N. Đ. Minh, et al.: "Giải bài toán phát hiện trong mạng radar
nhiều vị trí xử lý phân tán khi chịu ảnh hưởng của nhiễu
tương quan phân bố Lognormal," Tạp chí Nghiên cứu
KH&CN quân sự 57 (10/2018)
[15]. R. B. Nelsen: An Introduction to Copulas (Springer Science
& Business Media, 2006) 269.
[16]. D. A. Shnidman: "Radar detection probabilities and their
calculation," IEEE Trans. on Aeros. and Elec. Systems 31
(1995) 928 (DOI: 10.1109/7.395246).
Abstract—Multistatic radar systems distributed spatially
makes it many advantages in terms of the detection,
resolution improvement, target tracking... In particular,
multistatic radar systems are highly resistant to
interference and enhance reliability and monitoring
capability. The distributed processing multistatic radar
system is a class of general multistatic radar systems.
These systems with distributed local decisions and a data
fusion center demonstrate efficiency in both structural
simplicity, narrow data bandwidth and negligible loss in
quality. To evaluate the detection performance of the
distributed processing multistatic radar system with local
decisions dependent statistically, the article proposed the
Copula-based dependence modeling. Then, data fusion
rules in center were considered, and detection performance
was evaluated in certain cases. The results show that the
detection performance of the system is greatly influenced
by dependency level between local decisions. The
detection performance deteriorates with positive
dependence and increases with negative dependence. In
addition, the quality of detection for Swerling targets is
also considered to demonstrate the special fit of this
dependence modeling.
[17]. D. A. Shnidman: "Update on radar detection probabilities
and their calculation," IEEE Trans. on Aeros. and Elec.
Systems 44 (2008) 381 (DOI: 10.1109/taes.2008.4517013).
[18]. R. Srinivasan: "Distributed radar detection theory," IEE
PROCEEDINGS 133 (1986) 55 (DOI: 10.1049/ip-f-
1:19860010).
[19]. R. Srinivasan: "A theory of distributed detection," Signal
Processing 11 (1986) 319 (DOI: 10.1016/0165-
1684(86)90074-5).
[20]. R. Srinivasan and V. Aalo: "On Counting Rules in
Distributed Detection," IEEE Trans. on Acoustics Speech
and Signal Processing 37 (1989) 772 (DOI:
10.1109/29.17574).
[21]. R. Srinivasan and A. Ansari: "Distributed Detection of a
Signal in Generalized Gaussian Noise," IEEE Trans. on
Acoustics Speech and Signal Processing 37 (1989) 775
(DOI: 10.1109/29.17575).
Keywords— Copula, dependence modeling, K-
distributed clutter, multistatic radar, distributed detection.
Phạm Văn Hùng tốt nghiệp Đại học
ngành Điện – Điện tử năm 2011 và
Thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật radar –
dẫn đường năm 2016 tại Học viện Kỹ
thuật quân sự. Hiện đang công tác tại
Khoa Vô tuyến điện tử, Học viện Kỹ
thuật quân sự.
Lĩnh vực nghiên cứu: Lý thuyết phát
hiện, lý thuyết phát hiện radar nhiều vị
trí, xử lý tín hiệu và dữ liệu radar, thiết kế phần cứng.
[22]. R. Srinivasan, et al.: "Distributed detection of swerling
targets," IEE Proceedings F Com. Radar and Signal
Processing 133 (1986) 624 (DOI: 10.1049/ip-f-
1:19860099).
[23]. P. Swerling: "Probability of detection for fluctuating
targets," IRE Trans. on Infor. Theory 6 (1960) 269 (DOI:
10.1109/tit.1960.1057561).
Nguyễn Đức Minh tốt nghiệp đại học
chuyên ngành Vật lý-Vô tuyến năm
2000 tại Đại học Khoa học tự nhiên-
Đại học Quốc gia Hà Nội. Tốt nghiệp
Thạc sỹ ngành Công nghệ Điện tử -
Viễn thông năm 2006 tại Đại học
[24]. K. Ward, et al.: Sea Clutter: Scattering, the K Distribution
and Radar Performance (The Institution of Engineering and
Technology, London, United Kingdom, 2013) 586.
[25]. S. Watts: "Radar Detection Prediction in K-Distributed Sea
Clutter and Thermal Noise," IEEE Trans. on Aeros. and
Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội.
Nhận bằng tiến sỹ kỹ thuật ngành Kỹ
thuật Ra đa-Dẫn đường năm 2019 tại
Học viện Kỹ thuật Quân sự. Hiện đang
giảng dạy tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông.
Lĩnh vực nghiên cứu: Lý thuyết phát hiện trong radar nhiều
vị trí, xử lý tín hiệu, điện tử máy tính.
Elec.
Systems
AES-23
(1987)
40
(DOI:
10.1109/taes.1987.313334).
SOÁ 03 (CS.01) 2020
TAÏP CHÍ KHOA HOÏC COÂNG NGHEÄ THOÂNG TIN VAØ TRUYEÀN THOÂNG
130
7 trang
13140
Free
Bạn đang xem tài liệu "Khảo sát đặc trưng chất lượng phát hiện của hệ thống radar nhiều vị trí với cấu trúc phụ thuộc sử dụng lý thuyết Copula", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- khao_sat_dac_trung_chat_luong_phat_hien_cua_he_thong_radar_n.pdf
