Способ обнаружения аномалий заданного класса и устройство для его осуществления

 

Использование: для обнаружения аномалий типа облачности, вулканов, растительного, ледяного и снежного покровов, пятен нефтяных и других органических веществ, течений на поверхности моря и других аномадий естественного и искусственного происхождения. Цель - повышение эффективности обнаружения и достоверности распознавания аномалий заданного класса. Проводится облучение сигналом исследуемого участка поверхности, прием отраженного сигнала, возведение в квадрат, накопление и нормировка этого отраженного сигнала, прием излученного исследуемым участком поверхности сигнала, возведение в квадрат, накопление и нормировка этого излученного сигнала, выделение первой и второй квадратурных составляющих отраженного сигнала, формирование результирующего сигнала путем деления второй квадратурной составляющей на первый квадратурный сигнал, дифференцирование и нормировка результата деления, формирование дополнительного сигнала и его нормировки, суммирование сигналов и сравнение сигнала с порогом, после нормировки отраженного, излученного и дополнительного сигналов, перед суммированием сравнивают каждый сигнал с порогом, и при превышении сигналом порога на суммирование подают постоянный положительный сигнал, при отсутствии сигнала, превышающего порог, на суммирование подают нулевой сигнал. В систему введены последовательно соединенные антенный переключатель, усилитель высокой частоты, балансный смеситель, усилитель промежуточной частоты, согласованный фильтр, детектор, интегратор, видеоусилитель и пороговый блок, последовательно соединенные квадратурный смеситель, блок сравнения, первый делитель, дифференцирующая цепь, перемножитель, блок возведения в квадрат, второй интегратор, вычитатель, блок умножения на весовой коэффициент и второй пороговый блок, последовательно соединенные третий интегратор и второй блок возведения в квадрат, последовательно соединенный третий блок возведения в квадрат, сумматор и второй делитель, последовательно соединенные второй блок умножения на весовой коэффициент и третий пороговый блок, а также регистрирующее устройство, синхронизатор и четвертый блок возведения в квадрат, последовательно соединенный второй видеоусилитель и четвертый пороговый блок, последовательно соединенный третий блок умножения на весовой коэффициент и пятый пороговый блок, последовательно соединенные четвертый блок умножения на весовой коэффициент и шестой пороговый блок, а также решающее устройство. 2 с.п.ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области обнаружения и классификации сигналов и может быть использовано для обнаружения аномалий типа облачности, вулканов, растительного, ледяного и снежного покровов, пятен нефтяных и других органических веществ, ветровых волнений, течений и на поверхности моря, температурных распределений и других образований естественного и искусственного происхождения. Эти аномалии обнаруживаются на фоне подстилающей поверхности, например, нефтяное пятно относительно чистой (незагрязненной) морской поверхности.

Характерной особенностью этих образований являются изменения дисперсий отраженного и радиотеплового сигналов и дисперсии распределения частоты доплеровского смещения отраженного сигнала или эквивалентной ей ширины полосы частот доплеровского смещения. В связи с чем класс 3 (тип) аномалий определяется совместным изменением дисперсий отраженного сигнала, радиотеплового сигнала и частоты доплеровского смещения σ_1ζ²,σ_1z²иσ_1ω² относительно фоновых значений σ_oζ²,σ_oz²иσ_oω².

Известен способ обнаружения объектов, выбранный в качестве прототипа, включающий облучение сигналом выбранного участка, прием отраженного сигнала, прием излучениного исследуемым участком поверхности сигнала радиотеплового излучения и дальнейшую совместную корреляционную обработку двух принятых сигналов.

Недостатком известного способа является то, что он не обеспечивает однозначность обнаружения и классификации аномалий по величине абсолютного изменения дисперсии отраженного сигнала,сигнала собственного радиотеплового излучения выбранного участка и распределения частоты доплеровского смещения, то есть аномалии, соответствующие классу: σ_1ζ²>σ_oζ², σ_1ω²<σ_oω²иσ_1z²>σ_oz² (например, участок суши), могут привести к ложным проявлениям при обнаружении, например, аномалий типа поверхностных течений, относящихся к классу: σ_1ζ²<σ_oζ²,σ_1ω²<σ_oω²иσ_1z²<σ_oz².

Известна система, выбранная в качестве прототипа, обнаружения объектов, содержащая два канала приема: радиоканал и канал теплового излучения, а также блок совместной обработки принятых сигналов.

Недостатком этой системы является то, что она не обеспечивает однозначного обнаружения и классификации цепей.

Целью изобретения является повышение эффективности обнаружения и достоверности распознавания аномалий заданного класса.

Цель достигается тем, что в известном способе обнаружения, включающем облучение сигналом выбранного участка, прием отраженного сигнала, прием излученного исследуемым участком сигнала радиотеплового излучения и дальнейшую совместную обработку двух принятых сигналов, дополнительно осуществляют возведение в квадрат принятого отраженного сигнала, накопление этого сигнала, умножение его на весовой коэффициент, возведение в квадрат принятого излученного исследуемым участком поверхности сигнала, возведение его в квадрат и его накопление, умножение на весовой коэффициент накопленного излученного сигнала, перемножение принятого отраженного сигнала с сигналом облучения, фильтрацию полученного сигнала и выделение первой квадратурной составляющей отраженного сигнала, перемножение отраженного сигнала с сигналом облучения, сдвинутым по фазе на 90^о, осуществляют фильтрацию полученного сигнала и выделение второй квадратурной составляющей отраженного сигнала, формирование результирующего сигнала путем деления второй квадратурной составляющей на первую квадратурную составляющую, дифференцирование результата деления и перемножения дифференцированного сигнала с сигналом, получаемым как отношение квадрата сигнала первой квадратурной составляющей к сумме квадратов сигналов первой и второй квадратурных составляющих при ненулевом значении первой квадратурной составляющей, формирование результирующего сигнала, равного нулю, при нулевом значении первой квадратурной составляющей отраженного сигнала, возведение в квадрат результирующего сигнала, его накопление результирующего сигнала, возведение его в квадрат, формирование дополнительного сигнала путем вычитания из накопленного возведенного в квадрат результирующего сигнала, умножение на весовой коэффициент дополнительного сигнала, сложение сигналов и сравнение полученного сигнала с порогом, при этом весовые коэффициенты соответствуют аномалиям заданного класса, после умножения на весовые коэффициенты отраженного, излученного и дополнительного сигналов перед сложением сравнивают каждый из сигналов с порогом, соответствующим аномалиям заданного класса, и при превышении сигналом порога для сложения подают постоянный положительный сигнал, а при отсутствии сигнала, превышающего порог, на сложение подают нулевой сигнал.

Цель изобретения достигается также тем что в известное устройство, содержащее канал приема отраженных радиосигналов и канал приема собственного теплового излучения исследуемого участка, состоящий из антенны и усилителя, а также блок совместной обработки двух принятых сигналов, введены антенный переключатель, усилитель высокой частоты, балансный смеситель, усилитель промежуточной частоты, согласованный фильтр, детектор, интегратор, видеоусилитель и пороговый блок, последовательно соединенные квадратурный смеситель, блок сравнения, первый делитель, дифференцирующую цепь, перемножитель, блок возведения в квадрат, второй интегратор, вычитатель, блок умножения на весовой коэффициент и второй пороговый блок, последовательно соединенные третий интегратор и второй блок возведения в квадрат, последовательно соединенные третий блок возведения в квадрат, сумматор и второй делитель, последовательно соединенные формирователь сигналов и усилитель мощности, последовательно соединенные радиометрический канал зондирования, второй блок умножения на весовой коэффициент и третий пороговый блок, а также регистрирующее устройство, синхронизатор и четвертый блок возведения в квадрат, второй видеоусилитель и четвертый пороговый блок, последовательно соединенные третий блок умножения на весовой коэффициент и пятый пороговый блок, последовательно соединенные четвертый блок умножения на весовой коэффициент и шестой пороговый блок, а также решающее устройство.

При реализации данного способа для обнаружения аномалий класса: σ_1ζ²<σ_oζ²,σ_1ω²<σ_oω²иσ_1z²>σ_oz²весовые коэффициенты определяются выражениями: a = ; b = ;c= . (1) На фиг. 1 представлена структурная схема устройства обнаружения аномалий заданного класса, где обозначены: антенна 1, антенный переключатель 2, усилитель 3 высокой частоты, балансный смеситель 4, усилитель 5 промежуточной частоты, согласованный фильтр 6, детектор 7, интегратор 8, видеоусилитель 9, второй видеоусилитель 10, первый пороговый блок 11, четвертый пороговый блок 12, квадратурный смеситель 13, блок 14 сравнения, первый делитель 15, дифференцирующая цепь 16, перемножитель 17, блок 18 возведения в квадрат, второй интегратор 19, вычитатель 20, блок 21 умножения на весовой коэффициент, второй блок 22 умножения на весовой коэффициент, второй пороговый блок 23, пятый пороговый блок 24, решающее устройство 25, регистрирующее устройство 26, третий интегратор 27, второй блок 28 возведения в квадрат, третий блок 29 возведения в квадрат, сумматор 30, второй делитель 31, четвертый блок 32 возведения в квадрат, формирователь 33 сигналов, усилитель 34 мощности, синхронизатор 35, радиолокационный канал 36 зондирования, третий блок 37 умножения на весовой коэффициент, четвертый блок 38 умножения на весовой коэффициент, третий пороговый блок 39, шестой пороговый блок 40.

На фиг. 2 и 3 представлены графики, поясняющие работу устройства при условии a > 0, b > 0, с > 0, d < 0, e < 0 и f < 0, показывающие возможности устройства, позволяющего производить последовательное обнаружение и распознавание нескольких классов аномальных образований подстилающей поверхности, обеспечивая предварительную фильтрацию аномалий других классов и уменьшая количество эффектов ложных обнаружений.

На фиг. 4 представлен пример структурной схемы решающего устройства.

Работа устройства обнаружения аномалий заданного класса состоит в следующем.

Коэффициент усиления первого видеоусилителя а, первый весовой коэффициент b и второй весовой коэффициент с определяются выражением (1).

Коэффициент усиления второго видеоусилителя d, третий и четвертый весовые коэффициенты е и f определяются по выражениям: d = ; e = ;f= , (2) коэффициент усиления первого видеоусилителя - а; первый весовой коэффициент - b; второй весовой коэффициент - с; где σ_2ζ²,σ_2z²иσ_2ω² - дисперсии аномалий других классов, отличающихся от σ_1ζ²,σ_1z²иσ_1ω²тем, что, например, при σ_1ζ²>σ_oζ², σ_1z²>σ_oz²иσ_1ω²<σ_oω², σ_2ζ²<σ_oζ²,σ_2z²<σ_oz²иσ_2ω²>σ_oω².

Сигнал формирователя 33 сигналов через усилитель 34 мощности, антенный переключатель 2 и антенну 1 излучается в сторону исследуемой поверхности. Отраженный сигнал принимается той же антенной и через антенный переключатель 2 поступает на усилитель 3 высокой частоты и далее поступает на вход балансного смесителя 4, на другой вход которого подается гармоническое колебание с формирователя 33 сигналов. С выхода балансного смесителя сигнал через усилитель 5 промежуточной частоты поступает на согласованный фильтр 6. В согласованном фильтре выделяется сигнал из помех, далее возводится в квадрат детектором 7 и поступает на интегратор 8. На выходе интегратора 8 напряжение будет пропорционально дисперсии отраженного от исследуемой поверхности сигнала.

С выхода усилителя 5 промежуточной частоты отраженный сигнал также поступает на квадратурный смеситель 13, на другой вход которого подается гармонический сигнал той же частоты от формирователя 33 сигналов. Сигнал таким образом разбивается на синусную и косинусную составляющие. Разделив синусную составляющую сигнала с выхода блока 14 сравнения на косинусную составляющую с выхода смесителя 13 в первом делителе 15 и пропустив через дифференцирующую цепь 16, получают напряжение, пропорциональное частоте доплеровского смещения отраженного сигнала с некоторым масштабирующим коэффициентом. Для вычисления этого коэффициента синусные и косинусные составляющие с выходов третьего блока 29 возведения в квадрат и четвертого блока 32 возведения в квадрат суммируются в сумматоре 30, сумма их квадратов с выхода сумматора 30 делится на квадрат косинусной составляющей с выхода четвертого блока 32 возведения в квадрат. Таким образом на выходе перемножителя 17 образуется напряжение, равное частоте доплеровского смещения отраженного сигнала. Далее проходя третий интегратор 27, второй блок 28 возведения в квадрат, первый блок 18 возведения в квадрат, второй интегратор 19, на выходе вычитателя 20 получают дискретное распределение частоты доплеровского смещения отраженного от исследуемой поверхности сигнала.

С выходов первого 9 и второго 10 видеоусилителей и первого 21, второго 22, третьего 37, четвертого 38 блоков умножения на весовые коэффициенты сигналы поступают на выходы пороговых блоков 11, 12, 23, 24, 39, 40, где сравниваются с соответствующими пороговыми уровнями.

В случае превышения сигналом порогового уровня на выходе соответствующего порогового блока фоpмируется постоянный положительный сигнал, который далее поступает на соответствующий вход решающего устройства. В противном случае с выхода порогового устройства поступает нулевой сигнал. Из поступающих сигналов в решающем устройстве 25 формируется сигнал, характеризующий класс обнаруженной аномалии, который регистрируется устройством 26.

Таким образом положительный эффект от использования способа и устройства состоит в предварительной фильтрации некоторых аномалий других классов, уменьшении количества ложных обнаружений и повышении достоверности распознавания.

Формула изобретения

1. Способ обнаружения аномалий заданного класса, включающий облучение сигналом исследуемого участка поверхности, прием отраженного сигнала, прием излученного исследуемым участком поверхности сигнала радиотеплового излучения и дальнейшую совместную обработку двух принятых сигналов, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности обнаружения и достоверности распознавания аномалий заданного класса, осуществляют возведение в квадрат принятого отраженного сигнала, накопление этого сигнала, умножение его на весовой коэффициент, возведение в квадрат принятого излученного исследуемым участком поверхности сигнала, возведение его в квадрат и его накопление, умножение на весовой коэффициент накопленного излученного сигнала, перемножение принятого отраженного сигнала с сигналом облучения, фильтрацию полученного сигнала и выделение первой квадратурной составляющей отраженного сигнала, перемножение принятого отраженного сигнала с сигналом облучения, сдвинутым по фазе на 90^o, осуществляют фильтрацию полученного сигнала и выделение второй квадратурной составляющей отраженного сигнала, формирование результирующего сигнала путем деления второй квадратурной составляющей на первую квадратурную составляющую, дифференцирования результата деления и перемножения дифференцированного сигнала с сигналом, получаемым как отношение квадрата сигнала первой квадратурной составляющей к сумме квадратов сигналов первой и второй квадратурных составляющих при ненулевом значении первой квадратурной составляющей, формирование результирующего сигнала, равного нулю, при нулевом значении первой квадратурной составляющей отраженного сигнала, возведение в квадрат результирующего сигнала, его накопление, накопление результирующего сигнала, возведение его в квадрат, формирование дополнительного сигнала путем вычитания из накопленного возведенного в квадрат результирующего сигнала возведенного в квадрат накопленного результирующего сигнала, умножение на весовой коэффициент дополнительного сигнала, сложение сигналов и сравнение полученного сигнала с порогом, при этом весовые коэффициенты соответствуют аномалиям заданного класса, после умножения на весовые коэффициенты отраженного, излученного и дополнительного сигналов перед сложением сравнивают каждый из сигналов с порогом, соответствующим аномалиям заданного класса, и при превышении сигналом порога для сложения подают постоянный положительный сигнал, а при отсутствии сигнала, превышающего порог, на сложение подают нулевой сигнал.

2. Устройство для обнаружения аномалий заданного класса, содержащее канал приема отраженных радиосигналов и канал приема собственного теплового излучения исследуемого участка, состоящий из антенны и усилителя, а также блок совместной обработки двух принятых сигналов, отличающееся тем, что, с целью повышения эффективности обнаружения и достоверности распознавания аномалий заданного класса, введены последовательно соединенные антенный переключатель, усилитель высокой частоты, балансный смеситель, усилитель промежуточной частоты, согласованный фильтр, детектор, первый интегратор, видеоусилитель и первый пороговый блок, последовательно соединенные квадратурный смеситель, блок сравнения, первый делитель, дифференцирующую цепь, перемножитель, первый блок возведения в квадрат, второй интегратор, вычитатель, блок умножения на весовой коэффициент и второй пороговый блок, последовательно соединенные третий интегратор и второй блок возведения в квадрат, выход которого соединен с вторым входом вычитателя, последовательно соединенные третий блок возведения в квадрат, сумматор и второй делитель, выход которого соединен со вторым входом перемножителя, последовательно соединенные формирователь сигналов и усилитель мощности, выход которого соединен со вторым входом антенного переключателя последовательно соединенные радиометрический канал зондирования, второй блок умножения на весовой коэффициент и третий пороговый блок, а также регистрирующее устройство, синхронизатор и четвертый блок возведения в квадрат, выход которого соединен с вторыми входами второго делителя и сумматор, а вход - с вторым выходом квадратурного смесителя, при этом второй выход формирователя сигналов соединен с вторым входом балансного смесителя, третий выход формирователя сигналов - с вторым входом квадратурного смесителя, первый вход которого также соединен с выходом усилителя промежуточной частоты, вход третьего блока возведения в квадрат соединен с первым выходом квадратурного смесителя, второй вход первого делителя с вторым выходом квадратурного смесителя, вход третьего интегратора соединен с выходом перемножителя, первый - пятый выходы синхронизатора соединены с управляющими входами антенного переключателя, усилителя мощности, формирователя сигналов, согласованного фильтра и радиометрического канала зондирования соответственно, а вход синхронизатора соединен с третьим выходом формирователя сигналов, последовательно соединенные второй видеоусилитель и четвертый пороговый блок, последовательно соединенные третий блок умножения на весовой коэффициент и пятый пороговый блок, последовательно соединенный четвертый блок умножения на весовой коэффициент и шестой пороговый блок, а также решающее устройство, выход которого соединен с входом регистрирующего устройства, вход второго видеоусилителя соединен с выходом интегратора, вход третьего блока умножения на весовой коэффициент - с выходом вычитателя, вход четвертого блока умножения на весовой коэффициент - с выходом радиометрического канала зондирования, а выходы первого - шестого пороговых блоков соединены с соответствующими входами решающего устройства.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4