СПОСОБ КОРРЕЛЯЦИОННОЙ ОБРАБОТКИ СМЕСИ ГАРМОНИЧЕСКОГО СИГНАЛА С ШУМОМ Российский патент 2013 года по МПК G06F17/15 

Предполагаемое изобретение относится к технике корреляционной обработки смесей сигнала и шума и может быть использовано для выделения гармонического сигнала на фоне помех и измерения его частоты.

Известен способ корреляционной обработки, реализованный в обнаружителе сигналов (Вольфовский Б.Н., Голотвин К.Г. Обнаружитель сигналов // Авторское свидетельство СССР №885948. Опубл. в Б.И. №44. 1981 г) и заключающийся в том, что смесь гармонического сигнала с шумом представляют и в аналоговой форме и массивом равноотстоящих (по времени) цифровых кодов, которые умножают на аналоговые значения смеси; полученные парные произведения смеси и его задержанной копии, накапливают и усредняют, формируя, тем самым, оценки ординат автокорреляционной функции; последнюю анализируют на наличие гармонического сигнала.

Признаками аналога, совпадающими с признаками предполагаемого изобретения, являются: представление смеси массивом равноотстоящих (по времени) цифровых кодов, получение первичной (КФ1) корреляционной функции и анализ последней на наличие гармонического сигнала.

Недостаток этого способа состоит в том, что возможности выделения гармонического сигнала (в анализируемой смеси сигнала с шумом) по первичной автокорреляционной функции (АКФ1) ограничены не только отношением сигнал/шум в упомянутой смеси, но и ее (смеси) длительностью и, как следствие, длительностью АКФ1.

Известен также способ корреляционной обработки, реализованный в корреляционном обнаружителе (Вольфовский Б.Н., Васильев Н.А. Корреляционный обнаружитель // Авторское свидетельство СССР №523419. Опубл. в Б.И. №28. 1976 г) и заключающийся в том, что смесь гармонического сигнала с шумом представляют массивом равноотстоящих (по времени) цифровых кодов, получают первичную (АКФ1) автокорреляционную функцию массива, отсекают начальный участок этой функции (длительностью не меньше абсолютного интервала корреляции шума) и получают из оставшейся части вторичную (АКФ2) автокорреляционную функцию, аналогично отсекают ее начальный участок и аналогично получают третичную (АКФ3), четвертичную (АКФ4) и последующие автокорреляционные функции, формирование которых продолжают либо до выделения гармонического сигнала в очередной автокорреляционной функции, либо до тех пор, пока ее длительность, после отсечения начального участка, недопустимо уменьшится.

В данном случае, признаками аналога, совпадающими с признаками предполагаемого изобретения, являются представление смеси массивом равноотстоящих (по времени) цифровых кодов, получение первичной (КФ1) корреляционной функции массива, отсечение от КФ1 участка этой функции и получение из оставшейся части вторичной (КФ2) корреляционной функции, отсечение участка КФ2 и аналогичное описанному получение третичной (КФ3), четвертичной (КФ4) и последующих корреляционных функций, формирование которых продолжается либо до выделения гармонического сигнала в очередной корреляционной функции, либо до тех пор, пока ее длительность, после очередного отсечения участка, недопустимо уменьшится.

Недостаток этого способа-аналога состоит в том, что в нем, перед очередным циклом корреляционной обработки, предусмотрено отсечение только начального участка корреляционной функции (ибо в нем сосредоточена большая часть энергии шума) и не предусмотрено отсечение конечного участка той же функции; участка, на котором дисперсия ее значений велика, из-за того, что при формировании этого участка используется для усреднения малое число парных произведений.

Наиболее близок к заявляемому способу по технической сути способ, описанный в статье (Вольфовский Б.Н. Многократная автокорреляционная обработка и ее возможности по обнаружению гармонического сигнала в смеси сигнала с шумом, http://counter-terrorism.narod.ru/magazine1/wolf-1.htm) и заключающийся в том, что смесь гармонического сигнала с шумом представляют массивом равноотстоящих (по времени) цифровых кодов, получают первичную (АКФ1) автокорреляционную функцию массива, отсекают ее начальный участок (длительностью не меньше абсолютного интервала корреляции шума) и конечный участок и получают из оставшейся части вторичную (АКФ2) автокорреляционную функцию, аналогично отсекают ее начальный и конечный участки и аналогично получают третичную (АКФ3), четвертичную (АКФ4) и последующие автокорреляционные функции, формирование которых продолжают либо до выделения гармонического сигнала в очередной автокорреляционной функции, либо до тех пор, пока ее длительность, после отсечения начального участка, недопустимо уменьшится.

Признаки, совпадающие с признаками предполагаемого изобретения: представление смеси массивом равноотстоящих (по времени) цифровых кодов, получение первичной (КФ1) корреляционной функции массива, отсечение от нее конечного участка и получение из оставшейся части вторичной (КФ2) корреляционной функции, отсечение конечного участка этой функции и аналогичное описанному получение третичной (КФ3), четвертичной (КФ4) и последующих корреляционных функций, формирование которых продолжают либо до выделения гармонического сигнала в очередной корреляционной функции, либо до тех пор, пока ее длительность, после очередного отсечения, недопустимо уменьшится.

Недостаток способа-прототипа состоит в вынужденном отсечении начального участка корреляционной функции (длительностью не меньше абсолютного интервала корреляции шума). Такое отсечение целесообразно, поскольку в отсекаемом участке сосредоточена большая часть энергии шума и сильны корреляционные связи шума.

Задачей, на решение которой направлено предполагаемое изобретение, является сохранение начального участка корреляционной функции, увеличение, благодаря этому, ее длительности, и, как следствия: увеличение отношения сигнал/шум в получаемых корреляционных функциях и выделение гармонического сигнала при меньших, чем у прототипа, отношениях сигнал/шум в анализируемой смеси гармонического сигнала и шума.

Этот технический результат достигается тем, что упомянутый (далее первый) массив разворачивают задом наперед (т.е. последний код массива делают первым, предпоследний - вторым, и т.д., а первый - последним) и считают вторым, формируют взаимно-корреляционную функцию (ВКФ11) первого массива со вторым и взаимно-корреляционную функцию (ВКФ12) второго массива с первым, далее, после отсечения от этих (первичных) ВКФ конечных участков, используют оставшиеся части для формирования взаимно-корреляционной функции (ВКФ21) между ВКФ11 и ВКФ12 и взаимно-корреляционной функции (ВКФ22) между ВКФ12 и ВКФ11; вторичные ВКФ (ВКФ21 и ВКФ22) аналогично описанному, после отсечения их конечных участков, используют для получения третичных (ВКФ31 и ВКФ32), четвертичных (ВКФ41 и ВКФ42) и последующих ВКФ.

Для достижения технического результата в способе корреляционной обработки смеси гармонического сигнала с шумом, заключающемся в том, что используют: представление смеси массивом равноотстоящих (по времени) цифровых кодов, получение первичной (КФ1) корреляционной функции массива, отсечение от нее конечного участка и получение из оставшейся части вторичной (КФ2) корреляционной функции, отсечение конечного участка этой функции и аналогичное описанному получение третичной (КФ3), четвертичной (КФ4) и последующих корреляционных функций, формирование которых продолжают либо до выделения гармонического сигнала в очередной корреляционной функции, либо до тех пор, пока ее длительность, после очередного отсечения, недопустимо уменьшится, упомянутый (далее первый) массив разворачивают задом наперед (т.е. последний код массива делают первым, предпоследний - вторым, и т.д., а первый - последним) и считают вторым, формируют взаимно-корреляционную функцию (ВКФ11) первого массива со вторым и взаимно-корреляционную функцию (ВКФ12) второго массива с первым, далее, после отсечения от этих (первичных) ВКФ конечных участков, используют оставшиеся части для формирования взаимно-корреляционной функции (ВКФ21) между ВКФ11 и ВКФ12 и взаимно-корреляционной функции (ВКФ22) между ВКФ12 и ВКФ11; вторичные ВКФ (ВКФ21 и ВКФ22) аналогично описанному, после отсечения их конечных участков, используют для получения третичных (ВКФ31 и ВКФ32), четвертичных (ВКФ41 и ВКФ42) и последующих ВКФ.

Сравнение предлагаемого способа с прототипом показывает, что он содержит новые признаки, т.е. соответствует критерию новизны. Из сравнения с аналогами, следует, что заявляемый способ соответствует критерию «существенные отличия», так как в аналогах не обнаружены новые заявляемые признаки.

Для доказательства существования причинно-следственной связи между заявляемыми признаками и достигаемым техническим результатом рассмотрим сущность предлагаемого способа корреляционной обработки смеси гармонического сигнала с шумом и сопоставим его со способом-прототипом и способами-аналогами.

Как известно, (см. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. Часть I, издательство "Советское Радио" М., 1967) автокорреляционные функции (АКФ) гармонического сигнала и шума существенно различны. АКФ гармонического сигнала представляет собой тот же (той же частоты) гармонический сигнал на всем протяжении оси задержек. А вот форма АКФ шума существенно неравномерна. Так большая часть энергии АКФ шума сосредоточена в области малых задержек; при нулевой задержке значение АКФ шума равно дисперсии шума, а с увеличением задержки корреляционные связи шума ослабевают.

В связи с сказанным, АКФ смеси гармонического сигнала и шума (далее первичную АКФ) можно рассматривать как новую реализацию смеси гармонического сигнала и шума, в которой роль гармонического сигнала играет АКФ сигнала, а роль шума: АКФ шума, ВКФ сигнала с шумом и ВКФ шума с сигналом. Отличие первичной АКФ от упомянутой смеси сигнала и шума состоит в том, что в АКФ изменилось отношение сигнал/шум по сравнению со смесью. Так в области малых задержек отношение сигнал/шум уменьшилось из-за сосредоточения в этой области большей части энергии шума, а в области средних и больших задержек названное отношение увеличилось.

Поскольку первичная АКФ сохраняет в себе информацию о сигнале, то к ней также как и к исходной смеси сигнала с шумом можно применить автокорреляционную обработку (АКО) и получить в ее результате вторичную (и последующие) АКФ, содержащие в себе (по аналогии; как и первичная АКФ) информацию и о сигнале и о шуме. Очевидно, (это следует из предыдущего абзаца) перед АКО первичной АКФ от нее целесообразно отсечь начальный участок, поскольку на нем уменьшилось отношение сигнал/шум. Точно также целесообразно предусмотреть отсечение конечного участка АКФ; участка, на котором дисперсия значений АКФ велика, из-за того, что при его формировании используется для усреднения малое число парных произведений.

Отметим, что малым задержкам АКФ соответствуют сильные корреляционные связи шума. Именно из-за этого в области малых задержек концентрируется большая часть энергии шума. Если корреляционные связи шума существенно ослабить, то энергия шума при малых задержках существенно уменьшится и отношение сигнал/шум на начальном участке АКФ возрастет. В результате, этот участок станет целесообразен для АКО.

Для ослабления корреляционных связей шума при малых задержках и достижения указанного эффекта в предполагаемом изобретении предлагается формировать не АКФ, а ВКФ; вначале между исходной смесью сигнала с шумом и этой же смесью развернутой задом наперед, а затем - между получаемыми первичной, вторичной и последующими взаимно-корреляционными функциями. Такой подход в принципе максимально ослабляет корреляционные связи шума и делает ненужным отсечение начального участка АКФ перед очередной АКО. Сохранение начального участка позволит: увеличить длительность корреляционной функции, а это, в свою очередь, увеличит отношение сигнал/шум в корреляционных функциях и позволит выделять гармонический сигнал при меньших, чем у прототипа, отношениях сигнал/шум.

Внедрение заявляемого способа позволит выделять гармонический сигнал и измерять его частоту при меньших чем в способе-прототипе отношениях сигнал/шум в анализируемой смеси сигнала с шумом.

Изобретение относится к области обработки данных и может быть использовано для выделения гармонического сигнала на фоне помех и измерения его частоты. Техническим результатом является увеличение отношения сигнал/шум в получаемых корреляционных функциях и выделение гармонического сигнала в анализируемой смеси при меньших отношениях сигнал/шум. Способ содержит этапы: представляют смесь массивом равноотстоящих по времени цифровых кодов, получают первичную корреляционную функцию массива, отсекают от неё конечный участок и получают из оставшейся части вторичную корреляционную функцию, аналогично формируют последующие корреляционные функции либо до выделения гармонического сигнала в очередной корреляционной функции, либо до недопустимого уменьшения ее длительности после очередного отсечения, упомянутый массив цифровых кодов считают первым, разворачивают его в обратной последовательности и считают вторым, формируют взаимно корреляционные функции ВКФ11 первого массива со вторым и ВКФ12 второго массива с первым, отсекают от них конечные участки, используют их оставшиеся части для формирования взаимно корреляционной функций ВКФ21 между ВКФ11 и ВКФ12 и ВКФ22 между ВКФ12 и ВКФ11; из вторичных взаимно корреляционных функций ВКФ21 и ВКФ22 аналогично получают последующие ВКФ.

Способ корреляционной обработки смеси гармонического сигнала с шумом, использующий: представление смеси массивом равноотстоящих по времени цифровых кодов, получение первичной корреляционной функции массива, отсечение от нее конечного участка и получение из оставшейся части вторичной корреляционной функции, отсечение конечного участка этой функции и аналогичное описанному получение третичной, четвертичной и последующих корреляционных функций, формирование которых продолжают либо до выделения гармонического сигнала в очередной корреляционной функции, либо до тех пор, пока ее длительность после очередного отсечения недопустимо уменьшится, отличающийся тем, что упомянутый массив цифровых кодов считают первым и разворачивают его в обратной последовательности, т.е. последний код массива делают первым, предпоследний - вторым, а первый - последним; сформированный таким образом массив считают вторым, формируют взаимно-корреляционную функцию ВКФ11 первого массива со вторым и взаимно-корреляционную функцию ВКФ12 второго массива с первым, далее после отсечения от первичных ВКФ11 и ВКФ12 конечных участков, используют их оставшиеся части для формирования взаимно-корреляционной функции ВКФ21 между ВКФ11 и ВКФ12 и взаимно-корреляционной функции ВКФ22 между ВКФ12 и ВКФ11; вторичные взаимно-корреляционные функции ВКФ21 и ВКФ22 аналогично описанному после отсечения их конечных участков используют для получения третичных ВКФ31 и ВКФ32, четвертичных ВКФ41 и ВКФ42 и последующих взаимно-корреляционных функций.