Устройство распознавания одиночных и групповых составных импульсных сигналов

 

Изобретение относится к электроизмерительной технике. Может быть и спользовано для обработки локах онных или сейсмических сигналов. Цель изобретения - повышение вероятности распознавания одиночных и групповых импульсных сигналов. Для этого в устройство , содержащее аналого-цифровой преобразователь 1, блок 2 быстрого преобразования Фурье, блок 3 вычисления квадрата модуля коэффициентов дискретного .преобразования Фурье, . переключатель 4, блок 5 памяти, блок 6 деления, блок 7 вычисления и вычио Фт.г сл с: VI VJ СП

СООЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН (5В4 С 01 R 23j16

ОПИСАНИЕ ИЗОбРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ЖЫЯОТЕ1 А

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21), 3786878/24-21 (22) 03,09. 84 (46) 30.07. 86. Бюл. И-; 28 (71) Рижский Краснознаменный институт инженеров гражданской авиации им.Ленинского комсомола и Ордена Ленина арктический и антарктический научноисследовательский институт Госкомгидромета (72) А.В.Зеленков и В.И.Боярский (53) 621.317.527(088.8) (56) Чайдлерс Д. и др. Кепстр и его применение при обработке данных.

ТИИЭР, т. 65, У 10, 1977, c. 523.

Авторское свидетельство СССР

Р 1057872, кл. G 01 R 23/16, 1983.

ÄÄSUÄÄ 124 5 А1 (54) УСТРОЙСТВО РАСПОЗНАВАНИЯ ОДИНОЧНЫХ И ГРУППОВЫХ ИИПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ (57) Изобретение относится к электроиэмерительной технике. Иожет быть использовано для обработки локацйонных или сейсмических сигналов. Цель изобретения — повьпиение вероятности распознавания одиночных и групповых импульсных сигналов. Для этого в устройство, содержащее аналого-qH@poaoA преобразователь 1, блок 2 быстрого преобразования Фурье, блок 3 вычисления квадрата модуля коэффициентов дискретного .преобразования Фурье, .переключатель 4, блок 5 памяти, блок

6 деления, блок 7 вычисления и вычи1247775

15

35 тания среднего, блок 8 умножения, генератор 9 весовой функции, блок 10 обратного быстрого преобразования

Фурье, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 14, блок 15 регистрации, синхрогенератор 16, введены первый, второй 11, 12 блоки сравнения, блок

13 индикации одиночных и групповых импульсов. Ситуации отсутствия сигнала соответствуют коды О, О, 00 на выходах блоков 11-13 соответственно и сигнал, равный.О, на выходах ЦАП

14 ° Присутствию одиночного сигнала

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для обработки локационных или сейсмических сигналов.

Пель изобретения — повышение вероятности распознавания одиночных и групповых импульсных сигналов.

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства, на фиг.2 — временные диаграммы выходных сигналов синхрогенератора в подготовительном режиме; на фиг.3 — то же, в режиме обработки.

Устройство содержит аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 1, блок 2 быстрого преобразования Фурье (БПФ), блок 3 вычисления квадрата модуля коэффициентов дискретного преобразования Фурье (ДПФ), переключатель 4, блок 5 памяти, блок 6 деления, блок

7 вычисления и вычитания среднего, блок 8 умножения, генератор 9 весовой функции, блок 10 обратного преобразования Фурье (ОБПФ), первый блок 11 сравнения, второй блок 12 сравнения, блок 13 индикации одиночных и групповых импульсов, цифроаналоговый преобразователь 14, блок 15 регистрации, синхрогенератор 16.

Выход АЦП 1 соединен с сигнальным входом блока 2 БПФ, первый и второй выходы которого соединены с первыми и вторыми сигнальными входами блока

3 вычисления квадрата модуля ДПФ, выход которого соединен с сигнальным входом переключателя 4, первый выход соответствуют коды О., 1, 01 на выходах блоков 11-13 соответственно и сигнал, равный 1, на выходе ЦАП 14.

Присутствие групповых импульсов отразит код 1, 1, 10 на выходах блоков 11-13 и сигнал "2" на выходе ЦАП

14. Устройство позволяет повысить вероятность правильного распределения одиночных и групповых импульсных сигналов в случае наличия импульсов и разброса формы элементарных импульсов

3 ил. которого соединен с сигнальным входом блока 5 памяти, а второй — с первым сигнальным входом блока 6 деления, второй сигнальный вход которого соединен с выходом блока 5 памяти, а выход — с сигнальным входом блока

7 вычисления и вычитания среднего, выход которого соединен с первым сигнальным входом блока 8 умножения второй сигнальный вход которого соединен с выходом генератора 9 весовой функции, а выход — с входом блока 10

ОБПФ.

Выход ЦАП 14 соединен с входом блока 15 регистрации. Первый выход синхрогенератора 16 соединен с управляющим входом АЦП 1 и первым управляющим входом блока 2 БПФ. Второй выход соединен с вторым управляющим входом блока 2 БПФ, третий выход с третьим управляющим входом блока

2 БПФ и управляющим входом блока 3 вычисления квадрата модуля ДПФ. Четвертый выход синхрогенератора 16 соединен с первым управляющим входом блока 5 памяти. Пятый выход соединен с управляющим входом переключателя ,4, шестой выход — с вторым управляющим входом блока 5 памяти, управляющим входом блока 6 деления и первым управляющим входом блока 7 вычисления и вычитания среднего. Седьмой выход синхрогенератора 16 соединен с вторым управляющим входом, а восьмойс третьим управляющим входом блока 7 вычисления и вычитания среднего, де1247775 вятый выход соединен с четвертым управляющим входом блока 7 вычисления и вычитания среднего, с управляющими входами генератора 9 весовой функции и блока 8 умножения и первым управляющим входом блока 10 ОБПФ, второй и. третий управляющие входы которого соединены с десятым и одиннадцатым выходами синхрогенератора

16. Входы блока 13 индикации одиночных и групповых импульсов соединены с выходами блоков 11 и 12 сравнения, а выход — с входом ЦАП 14. Сигнальный вход первого блока 11 сравнения соединен с выходом блока 10 ОБПФ, а первый управляющий вход — с двенадцатым выходом синхрогенератора 16, тринадцатый выход которого соединен с .первым управляющим входом второго блока 12 сравнения, а четырнадцатый с вторыми управляющими входами первого 11 и второго 12 блоков сравнения, сигнальный вход которого соединен с выходом АЦП 1. Входом устройства является вход АЦП 1 первым вы- 25 ходом — выход блока 10 ОБПФ, а вторым — выход блока 13 индикации одиночных и групповых импульсов.

Устройство работает следующим образом. 30

Сигнал на входе локационного приемника, сформированный, например, в слоистой среде с контрастными границами раздела, можно представить в виде суммы отражений от каждой гра- 5 ницы раздела. Задача состоит в том, чтобы различить сигнал, отраженный средой с одной контрастной границей раздела (например, воздух — вода) от сигнала, .отраженного средой с числом 40 контрастных границ раздела две и больше, включая переотражения, даже в том случае, если отраженные импульсы перекрываются во времени. Анало- гичным образом задача может ставить- 45 ся и для "точечных" объектов: распознавание одиночных и групповых

"точечных" отражающих объектов.

Пусть сигнал S(t) на выходе линейного приемника, т.е. на входе

AlgI 1 (фиг.1), содержит два отраженных импульса S,(t) и S,(t) имеет вид

8 (() ) е где u — - круговая частота

° 1

У „- задержка S„(t) относительно

10 начала временного окна или интервала наблюдения, для которого t=O, то спектральная функция второго отражения S2(t) соответственно равна

15 () е >+(а <+! 1

Таким образом, спектральная функция составного сигнала S(t) имеет вид

20 тогда

1 () 2(e)>

55 где S (t)aS< (t- ), — взаимный сдвиг импульсов

S,(t) и S,(t), а " относительная амплитуда (а 0 и I@I(1).

Если спектральную функцию первого импульса S<(t) записать как

Я((,))=Я (6 )е" " (1+ае " ), (1) IS (u) I г = I S, I„) 1 г (1 «.2 . „, «. г ) (2) Отсюда следует, что временную задержку (можно измерить с высокой точностью, применив обратное преобразование Фурье, если в уравнении (2) исключить множитель 1Я„ (Ы)1г. Это можно сделать, имея априорную информацию о множителе, Для случая зондирования слоистых сред или "точечных11 объектов такая информация может быть получена из .сигнала с одним отражением илн даже используя зондирующий сигнал в случае активной локации.

Сигнал с одним отражением может быть получен от одиночной контрастной границы раздела в слоистой среде (например, воздух — вода) или при отражении .от одиночного "точечного" объекта. Этот сигнал можно использовать в качестве образца или эталона элементарного колебания для вычисления и запоминания функции IbS„()1г, где Ъ вЂ” коэффициент, учитывающий взаимный разброс по амплитуде наибо, льшего элементарного импульса в отражен. ном исследуемом сигнале и образцово- го импульса. Если затем в процессе обработки правую часть уравнения (2) разделить на эту функцию, то можно получить вещественную четную спектральную функцию А(и)= = (1+2а соаи +аб(3)

I S() I 1+аг

IbS„(4l) l Ibl

1247775

Обратное преобразование Фурье .от

А(ы) на оси времени дает три импульса: один положительный при t=0 с амплитудой (1+а ) /lb» и два одинаковых, симметрично расположенных относительно =0 в точках t=- -i с амплитудой а/lbl . Величина (1+а )/1Ь! в уравнении (3) является средним значением. Если эту величину определить 1О путем усреднения выражений (3) по ы, а затем вычесть ее из исходного выражения, то после обратного преобразования Фурье останется только два импульса в точках t- =- ь . Временной ин- 1S тервал между этими импульсами можно измерить с высокой точностью путем фиксации положения максимумов абсолютных значений.

Кроме того, если =О, то сигнал 20

S(t) — это фактически одиночный элементарный импульс (1+a)SÄ(t). При этом А(и)=сопзС=(1+а) / lbl и вычи тание среднего значения из А(ы) (также равного (1+а) / Ibl 2) приводит к нуле- 25 вому уровню сигнала после обратного преобразования Фурье.

С помощью схемы автоматической регулировки усиления в приемнике можно обеспечить примерное равенство 30

1Ы const. Поэтому в дальнейшем можно считать ЬI=1.

Устройство работает следующим образом.

Назначение, принцип действия и З5 связи между преобразователем 1, блоками 2,3,6-8,10, генератором 9 полностью соответствуют таким же блокам известного устройства. Эта часть устройства может использоваться для из- 40 мерения Ф по выходному сигналу блока

10 путем фиксации положения двух наибольших по абсолютному значению равновеликих пиков по обе стороны отточки n=O или одного наибольшего пика4 на половине интервала определения от n=0 до n=N/2, где N — размер ДПФ.

Для распознавания одиночных и групповых импульсных сигналов, а также фиксации наличия или отсутствия сигнала 50 на входе блока 1 АЦП и записи всей этой текущей информации служат блоки е

11-13, 15, преобразователь 14.

Устройство работает в двух режимах. В первом, подготовительном, режиме происходит запись в блок 5 памяти отсчетов квадрата модуля ДПФ образца элементарного колебания. Во втором, основном, режиме выполняется обработка отраженного сигнала. Переход от одного режима к другому обеспечивается переключателем 4. Этот переход может осуществляться как автоматичееки, так и вручную.

Управление переключателем 4 осуществляется синхрогенератором 16 (выход "д"). Во втором режиме может выполняться измерение сдвига между двумя наибольшими по абсолютному значению импульсами на выходе блока 10, чему соответствует измерение сдвига между двумя наибольшими по амплитуде элементарными импульсами во входном сигнале, а также записывается информация о наличии и составе этого же сигнала блоком 15 регистрации.

В течение времени обработки образца синхрогенератор 16 подключает вход переключателя 4 к его первому выходу. При этом происходит запись в ячейки блока 5 памяти отсчетов . квадрата модуля ДПФ образца. Эти отсчеты формируются следующим образом. Из аналогового сигнала образца, поступающего на вход АЦП 1, в соответствии с теоремой Котельникова с частотой не менее, чем в 2 раза большей верхней частоты в спектре обрабатываемых сигналов берутся выборки, амплитуда которых преобразуется в двоичный код, который подается на вход блока 2 БПФ. Частота взятия этих выборок определяется периодом повторения тактовых импульсов, поступающих на вход управления АЦП 1 с выхода "а" синхрогенератора 16. Эти же тактовые импульсы управляют записью цифровых выборок во входной регистр блока 2 БПФ. В течение интервала определения сигнала берется N выборок, причем для алгоритма БПФ, как правило, N является степенью 2.

Началом выполнения БПФ управляют импульсы, поступающие с выхода "б" синхрогенератора 16 на второй вход управления блока 2 БПФ после записи в его входной регистр N-й цифровой выборки сигнала. С выходных регистров блока 2 БПФ считывается пара отсчетов, соответствующих мнимой и вещественной части каждого коэффициента

ДПФ в пределах полонины частотного окна. Использование для дальнейшей обработки только половины коэ4фипи1247775 ентов ДПФ из числа попадающих в частотное окно с нормированными частотами f от 0 до M/2, где Y --. N — число, определяющее ширину частотного окна (если оценивать числом коэффициентов ДПФ, то ширина при И<И равна И+1), объясняется тем, что коэффициенты ДПФ вещественного сигнала имеют четкую симметрию модуля относи- 10

° тельно f=o или f=N/2 в зависимости от выбора интервала определения для

f (-Ы/2, N/2) или (О,NJ. Пара данных для каждого коэффициента ДПФ используется для вычисления квадрата моду- !5 ля ДПФ в блоке 3. Эта пара данных поступает на два входа. блока 3. Считывание каждой пары с выходных регистров блока 2 БПФ и управление процессом вычисления квадрата модуля 20

ДПФ осуществляют импульсы, поступающие с выхода "в" синхрогенератора

16. Отсчеты квадрата модуля ДПФ далее с выхода блока 3 через переключатель 4 поступают на вход записи блока 5 памяти и в его ячейках запо,минаются на все время работы устрой.— ства во втором режиме. Для управления записью на первый вход управления блока 5 подаются импульсы с выхода "г" синхрогенератора 16.

Во втором режиме работы вход переключателя 4 соединяется с его вторым выходом, к которому подключен вход делимого блока 6 деления. На вход делителя блока 6 деления одновременно с отсчетами квадрата модуля ДПФ исследуемого составного сигнала, поступающими с второго выхода переключателя 4, с выхода считывания блока 40

5 памяти подаются отсчеты квадрата модуля ДПФ образца с тем же значением нормированной частоты f которые были записаны в первом режиме. Считыванием их из блока 5 памяти и про- 45 цессом деления в блоке 6 управляет последовательность импульсов с выхода "е" синхрогенератора 16. Результат деления с выхода блока 6 деления поступает на вход блока 7 вычисления и вычитания среднего. В блоке 2 производится запоминание отсчетов с нор-. мированными частотами f от 0 до И/2, которым управляют те же импульсы с выхода "е" синхрогенератора 16, и сложение этих отсчетов методом накопления с учетом симметрии модуля ДПФ для получения суммы отсчетов частного в пределах всего частотного окна.

Затем вычисляется среднее значение делением-суммы на число отсчетов, равное И+1, и полученное среднее значение вычитается из поступивших отсчетов частного. Этими операциями управляют импульсы с выходов "ж", "з", "и" синхрогенератора 16, из которых импульсы с выхода "ж" предназначены для считывания накопленной суммы и запуска схемы деления на

M+1, с выхода "з" — это импульсы двоичного-числа И+1, а с выхода "и" используются для вычитания среднего из отсчетов частного и подачи отсчетов разности на выход блока 7. Эти отсчеты далее поступают на один из входов блока 8 умножения, на другой вход которого подаются отсчеты весовой функции, формируемые генератором 9 весовой функции. С выхода блока 8 умножения отсчеты произведения поступают на вход блока 10 ОБПФ и . там запоминаются во входном регистре. Работой блока 8, генератора 9 и записью во входной регистр блока

10 также управляют импульсы с выхода

"и" синхрогенератора 16. Во входном регистре блока 10 ОБПФ формируются исходный для ОБПФ массив. Запись каждого отсчета с выхода блока 8 в силу четной симметрии последних, кроме f=O и f=N/2 (при M=N), производится сразу в две ячейки. Для интервала определения по ftÎ,N) это — пара ячеек, соответствующих нормированным частотам f u N-f. Для M/2 ( (Г((N-И/2), т.е. за пределами частотного окна, в ячейки этого регистра записываются нули, Началом выполнения ОБПФ управляют импульсы, поступающие с выхода "к" синхрогенератора 16, которые начинают подаваться на второй вход управления блока 10 после записи во все N ячеек входного регистра соответствующих отсчетов.

Результат выполнения ОБПФ в силу четности входных данных является чисто действительным и также четным относительно n=N/2, если использовать интервал определения (0,N). Отсчеты выходных данных блока 10 ОБПФ считываются импульсами, поступающими с выхода ™л" синхрогенератора 16 и подаются на первый выход (Вых.1) устройства в двоичном коде и на первый вход первого блока 11 сравнения. С

1247775

1О

Аналогично первому блоку 11 сравнения работает второй блок 12 сравнения. На его первый вход подаются

50 отсчеты исследуемого составного сигнала с выхода АЦП 1 при изменении и от О до N-1. На второй вход блока

12 с выхода "с" синхрогенератора 16 поступает код числа, соответствующего уровню ПОРОГ-2, которое запоминается в регистре блока 12. При превышении этого уровня хотя бы одним

Вых. 1 двоичный код используется для измерения и регистрации взаимного временного сдвига.

В первом блоке 11 сравнения отсчеты, поступающие на первый вход с выхода блока 10 ОБПФ, нормализуются по знаку путем присвоения всем им положительного знака и из каждого нормализованного таким образом отсчета 10 вычитается число, соответствующее .заданному пороговому значению ПОРОГ-1.

Код этого числа поступает в виде последовательности импульсов с выхода

"м" синхрогенератора 16 на второй 15 вход блока 11 сравнения и здесь запоминается. По знаку разности фиксируется превышение порогового уровня ПОРОГ-1. Так, например, если знаку + в знаковом разряде разности 20

11 1t соответствует уровень логическои 1 знаку "-" — уровень логического "0", то после выполнения операции сравнения с пороговым уровнем половины отсчетов с и от 0 до N/2 (в силу чет- 25 ности этого достаточно), поступающих с выхода блока 10 ОБПФ в знаковом разряде разности, фиксируется хотя бы одна "1", если было хотя бы одно превышение уровня ПОРОГ-1. Ес- З0 ли такого превышения не было, то для всех отсчетов с выхода блока 10 в

31 знаковом разряде разности будет О

Уровень "О" или "1" в знаковом разряде фиксируется, запоминается и поступает на выход блока 11 сравнения, При этом, если было хотя бы одно превышейие отсчетом с. выхода блока 10 уровня ПОРОГ-1, то на выходе блока 11 присутствует "1", а если 40 такого превышения не было для всех отсчетов, то — "О". Уровень "О" или

"1" с выхода первого блока 11 сравнения считывается и поступает на один из входов блока 13 ° Этим управляют 45 импульсы с выхода "н" синхрогенератора 16. ! нормализованным по знаку отсчетом сигнала с выхода АЦП 1 на выходе блока 12 фиксируется "1", в противном случае — "О" ° Уровень "О" или "1" с выхода второго блока 12 сравнения считывается и поступает на другой вход блока 13, что делается с помощью импульсов на выходе "н" синхрогенератора 16. Блок 13 представляет собой двухразрядный сумматор. Одноразрядный двоичный код на каждом из его входов — это код соответствующего слагаемого.

На входы блока 13, выход которого является вторым выходом (Вых.2) устройства, поступают двоичные коды суммы одноразрядных чисел с выходов блоков 11 и 1-2. Этот код может далее использоваться для цифровой инв дикации отсутствия отраженных импульсов, а также информации об их структуре (одиночные это или групповые сигналы) в случае их наличия. Кроме того, с помощью ЦАП 14 цифровой код с выхода блока 13 преобразуется в аналоговое напряжение (или ток) с тремя уровнями градации, соответствующими О, 1 и 2. Это напряжение может быть записано на ленте блока

15 регистрации.

При этом ситуации отсутствия сигнала соответствуют коды О, О, 00 на выходах блоков 11-13 .соответственно и сигнал, равный О, на выходе ЦАП 14.

Ситуации присутствия одиночного сигнала соответствуют коды 0,1,01 на выходах блоков 11-13 соответственно и сигнал, равный 1, на выходе ЦАП 14, Ситуации присутствия групповых импульсов соответствуют коды 1,1,10 на выходах блоков 11-13 и сигнал, равный 2, на выходе ЦАП 14.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет повысить вероятность правильного распределения одиночных и групповых импульсных сигналов в случае наличия импульсов и разброса формы элементарных импульсов.

Формула изобретения

Устройство распознавания одиночных и групповых импульсных сигналов, содержащее аналого-цифровой преобразователь, выход которого соединен с сигнальным входом блока быстрого преобразования Фурье, первый и второй выходы которого соединены с первым

1247775

12 и вторым сигнальными входами. блока вычисления квадрата модуля коэффици1 1 ентов дискретного преобразования Фурье, выход которого соединен с сигнальным входом переключателя, первый выход которого соединен с сигнальным входом блока памяти, а второй — с первым сигнальным входом блока деления, второй сигнальный вход которого 10 соединен с выходом блока памяти, а выход - с сигнальным входом вычисления и вычитания среднего, выход которого соединен с первым сигнальным входом блока умножения, второй сигнальный вход которого соединен с выходом генератора весовой. функции, а выход — с входом блока обратного быстрого преобразования Фурье, цифроаналоговый преобразователь, выход которого соединен с входом блока регистрации, и синхрогенератор, первый выход которого соединен с управляющим входом аналого-цифрового преобразователя и первым управляющим входом блока быстрого преобразования Фурье, второй выход - с вторым управляющим входом блока быстрого преобразования Фурье, третий выход — с третьим управляющим входом блока быстрого ЗО преобразования Фурье и управляющим входом блока вычисления квадрата модуля коэффициентов дискретного преобразования Фурье, четвертый выходс первым управляющим входом блока З5 памяти, пятый выход — с управляющим входом переключателя, шестой выход— е вторым управляницим входом блока памяти, управляющим входом блока деления и первым управляющим входом блока вычисления и вычитания среднего, седьмой и восьмой выходы — с вторым и третьим управляюшими входами блока вычисления и вычитания среднего, девятый выход — с четвертым управляющим входом блока вычисления и вычитания среднего, с управляющими входами генератора весовой функции и блока умножения, и первым управляющим входом блока обратного быстрого преобразования Фурье, второй и третий управляющие входы которого соединены соответственно с десятым и одиннадцатым . выходами синхрогенератора, о т л и— ч а ю щ.е е с я тем, что, с целью повышения вероятности распознавания одиночных и групповых импульсных сигналов, в него введены первый и второй блоки сравнения и блок индикации одиночных и групповых импульсов, входы которого соединены с выходами блоков сравнения, а выход — с входом цифроаналогового преобразователя, причем сигнальный вход первого блока сравнения соединен с выходом блока обратного быстрого преобразования

Фурье, а первый управляющий вход— с двенадцатым выходом синхрогенератора, тринадцатый выход которого соединен с первым управляющим входом второго блока сравнения, а четырнадцатый выход синхрогенератора соединен с вторыми управляющими входами первого и второго блоков сравнения, сигнальный вход которого соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя.

1247775 Ъю

Ъм

"чная льсОФ и сСоставитель С.Лебедев

Редактор Н.Швыдкая Техред S.Кадар Корректор E.Ñèðîõìàí ю

Заказ 4119/44 Тираж 728 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д, 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4.