Способ обнаружения импульсных сигналов в дискретно-непрерывной записи электромагнитного излучения Российский патент 2024 года по МПК G01S7/292 G01S13/04 G06F17/00 

Изобретение относится к технике обработки сигналов в радиотехнических системах и может быть использовано при решении задач пассивной радиолокации.

Известны, традиционно применяемые в задачах локации случайных источников импульсных сигналов на фоне шумов, амплитудные пороговые методы, в которых устанавливается либо фиксированный, либо адаптивный, в зависимости от уровня помехи, порог срабатывания устройства обнаружения. Общим недостатком таких методов является их низкая помехоустойчивость при обнаружении импульсов с малым значением соотношения сигнал/помеха, что приводит к большому количеству либо ложных срабатываний, либо пропуску полезных сигналов.

Известно техническое решение [1], предназначено для обнаружения импульсных сигналов на фоне шумовых помех и аналого-дискретного преобразования этих сигналов, в частности для измерения текущих значений параметров выделенных импульсов из аддитивной смеси сигналов и помех при априорной неопределенности ее характеристик содержащее: согласующий блок; полосовой управляемый фильтр; три дифференцирующих блока; пиковый детектор; управляемый ограничитель; собирательную схему; линию задержки; два ключа; управляемый интегратор; компаратор; два RS-триггера; управляемый генератор эталонных импульсов; контроллер; ОЗУ и ЦАП. Недостатком данного технического решения является то, что оно в большей степени ориентировано на обнаружение последовательностей однотипных по спектральным характеристикам импульсов, интервалы между которыми соизмеримы с их длительностями. Алгоритм обработки включает большое количество вычислительных операций. Также к недостаткам можно отнести требование к соблюдению условия стационарности помеховой обстановки в пределах соседних реализаций.

В качестве способа-прототипа выбрано техническое решение, которое представлено в [2], предназначено для решения задач пассивной радиолокации, содержащее: АЦП, регистр, компаратор кодов, накапливающий сумматор.

Указанный способ основан на разбиении непрерывного входного воздействия на ряд стробов, в пределах которых выделяются отсчеты с максимальным уровнем, предположительно принадлежащие полезному сигналу, с последующей их записью в накопитель.

Недостаток рассмотренных способов состоит в их невысокой эффективности при решении задачи обнаружения случайных импульсов с низким значением отношения сигнал/шум в дискретно-непрерывной записи. При этом накладывается условие постоянного среднего значения интервалов между соседними полезными импульсами. Процедура обнаружения основана на использовании амплитудных значений отсчетов входного воздействия лишь во временной области, в предположении превышения амплитуд «сигнальных» отсчетов над амплитудами «шумовых» отсчетов.

Техническим результатом изобретения является улучшение характеристик обнаружения случайных импульсов в дискретно-непрерывной записи.

Для достижения технического результата в способе обнаружения импульсных сигналов в дискретно-непрерывной записи электромагнитного излучения, осуществляется генерация периодических последовательностей: управляющих импульсов дискретизации с периодом Т₀; стробовых импульсов с периодом T₁, М-кратным периоду Т₀, и цикловых импульсов с периодом Т₂, К-кратным периоду Т₁. Квантование входного сигнала производится с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) с формированием дискретной последовательности отсчетов входного сигнала x_n, где n=1,2,…- номера отсчетов входного сигнала. Далее осуществляется формирование двумерного набора отсчетов x_km в регистре стробов циклового фрагмента дискретно-непрерывной записи (ФДНЗ), где m=1,2,…, М - номера отсчетов в пределах одного строба, k=1,2…, K - номера стробов в пределах одного цикла; формирование из набора x_km массивов комплексных Фурье-спектров y_km, m=1,2,…, М/2; формирование массивов амплитудных спектров A_km=|y_km|; формирование разностных амплитудных спектров по правилу: , где Δ_km=A_km-A_k+1m; формирование разностных амплитудных спектров , взвешенных нормированным амплитудным опорным спектром , формирование суммарных энергетических характеристик в спектральной области в пределах каждого k-го строба с помощью сумматора и сравнение полученного суммарного кода с порогом. В случае превышения порога выборка отсчетов входного сигнала размером М в пределах текущего строба поступает в БД для дальнейшего использования, как потенциально содержащая импульсный сигнал.

Таким образом, в отличие от прототипа, в предложенном способе применяется частотно-временное преобразование внутри каждого временного строба, с компенсацией сигналов с нежелательными спектральными признаками (например, узкополосные сигналы радиостанций) и усилением сигналов с требуемыми признаками (широкополосные импульсные сигналы). При этом амплитуда «сигнальных» отсчетов может не превышать амплитуду «шумовых» отсчетов, т.е. предлагаемый способ является более помехоустойчивым, по сравнению с прототипом.

На фиг. 1 изображена одна из возможных функциональных схем обнаружителя, реализующая предложенный способ. Элементы 1-12 несут следующее техническое содержание: 1 - АЦП; 2 - квантовый генератор; 2.1 - канал стробовых импульсов; 2.2 - канал цикловых импульсов; 3 - регистр стробов циклового фрагмента дискретно-непрерывной записи (стробовый регистр); 4 - блок реализации алгоритма одномерного дискретного быстрого прямого преобразования Фурье (БПФ); 5 - блок реализации алгоритма расчета амплитудного спектра; 6 - блок разности; 7 - регистр предыдущего состояния; 8 - регистр опорного спектра; 9 - перемножитель - квадратор; 10 - накапливающий сумматор; 11 - компаратор; 12 - ключ стробовый; 13 - БД фрагментов дискретно-непрерывной записи; 14 - БД сигнальных реализаций.

Функционирование предложенного способа удобно рассмотреть, обращаясь к схеме обнаружителя фиг. 1 и графикам фиг. 2.

В начале каждого цикла обнаружения все элементы схемы устанавливаются в исходное «нулевое» состояние. На информационный вход АЦП 1 поступает аналоговый входной сигнал. На выходе АЦП формируется поток цифровых кодов, обновляемых с периодом Т₀ под действием импульсов дискретизации, с периодом кратному периоду тактового высокостабильного генератора, поступающих на управляющий вход АЦП. В рассматриваемый интервал времени длительностью Т₀ с выхода АЦП текущий код поступает на вход регистра 3 (см. Фиг. 2а). В следующие интервалы времени (той же длительностью Т₀) аналогичный процесс обновления содержимого регистра повторяется и продолжается до поступления на первый управляющий вход регистра 3 стробового импульса, т.е. в течение всего текущего строба длительностью T1, к концу которого в регистре 3 будут записаны коды стробового фрагмента входного сигнала. Выход регистра 3 подключен к информационным входам блока реализации алгоритма одномерного дискретного БПФ 4 и ключа стробового 12. В блоке 4 стробовый фрагмент входного сигнала преобразуется в стробовый фрагмент комплексных Фурье-спектров, поступающий с выхода блока 4 на информационный вход блока реализации алгоритма расчета амплитудного спектра 5. Выход блока 5 соединен с информационными входами блока компенсатора 6 и регистра предыдущего состояния 7. Коды амплитудного спектра (см. Фиг. 2б) стробового фрагмента входного сигнала поступают в регистр 7, задерживаясь на T₁, т.е. до поступления следующего амплитудного спектра стробового фрагмента. В блок компенсатора 6 амплитудные спектры стробовых фрагментов поступают без последующих задержек. В блоке компенсатора 6 производится операция вычитания амплитудного спектра текущего стробового фрагмента, поступающего с выхода блока 5 на первый информационный вход блока 6, из амплитудного спектра предшествующего стробового фрагмента, поступающего на второй информационный вход блока 6 с выхода блока 7, с обнулением результата вычитания в случае отрицательного значения разности.

С выхода блока 6 коды стробового разностного амплитудного спектра (см. Фиг. 2в) поступают на первый информационный вход блока перемножителя-квадратора 9, на второй информационный вход поступают коды опорного амплитудного спектра с выхода регистра 8. В блоке 9 производится перемножение амплитудных спектров (взвешивание) и возведение результата в квадрат. С выхода блока 9 полученная кодовая последовательность (см. Фиг. 2г) поступает на вход накапливающего сумматора 10, на выходе которого формируется код стробовой энергетической характеристики (см. Фиг. 2д), поступающей для логического сравнения с пороговым значением на вход компаратора 11. Затем сумматор 10 обнуляется. С выхода компаратора 11 бинарный код (см. Фиг. 2е) поступает на управляющий вход ключа стробового 12. В случае поступления на вход логической единицы на выходе блока 12 генерируется текущий строб входной последовательности, предположительно содержащий полезный импульсный сигнал (см. Фиг. 2ж), с последующей записью в БД сигнальных реализаций 14.

Аналогичная процедура повторяется после поступления следующего стробового импульса на управляющий вход регистра 3 через период T₁=M⋅T₀. Через период T₂=К⋅Т₁ на второй управляющий вход блока 3 поступает импульс начала нового цикла, определяющий размер ФДНЗ для дальнейшего архивирования в БД ФДН3 - блок 13.

Представленная на фиг. 1 схема соответствует случаю, когда процедуры преобразования в канале обнаружения укладываются во временной интервал менее T1, что обеспечивает режим непрерывной регистрации входного сигнала. На схеме блоки канала обнаружения обведены.

Таким образом, использование процедуры обработки сигнального строба, включающую формирование разностных амплитудных спектров, взвешенных нормированным амплитудным опорным спектром, формирование суммарных энергетических характеристик в спектральной области для последующего сравнения полученного суммарного значения с порогом с целью обнаружения сигнального импульса, является новым отличительным признаком, способствующим достижению технического преимущества, заключающегося в повышении вероятности обнаружения импульсных сигналов ЭМИ с низким значением соотношения сигнал\помеха за счет значительной компенсации помех неимпульсного характера, включая сосредоточенные по спектру полезных сигналов. Положительный эффект, достигаемый предложенным способом, обеспечивается при следующих условиях:

- пределы изменения длительности искомого сигнала известны;

- полоса пропускания приемного устройства, формирующего входное воздействие, включает частотный спектр искомых сигналов.

Описание функционирования предложенного способа соответствует информационно-логическому уровню и указывает на принципиальную возможность его технической реализации на профильных отечественных промышленных предприятиях. В тоже время дальнейшая детализация схемы фиг. 1, включающая выбор выпускаемых промышленностью образцов типовых электронных компонентов, рассмотрение вопросов их согласованной работы и т.п., означала бы переход на более низкий уровень описания - уровень схемотехнического проектирования, что в рамках настоящего документа является нецелесообразным.

Источники информации

1. «Адаптивное устройство обнаружения и аналого-дискретного преобразования сигналов», патент RU 2684643 C1 G01S 7/292 (опубликовано 11.04.2019 Бюл. №11).

2. «Способ обнаружения хаотической последовательности импульсов», патент RU 2536638 C1 G01S 13/04, G06F 17/00 (опубликовано 27.12.2014 Бюл. №36)

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано при решении задач пассивной локации атмосферных природных и техногенных импульсных источников электромагнитного излучения. Техническим результатом является повышение вероятности обнаружения случайных импульсов в диапазоне очень низких частот в непрерывном потоке данных от приемного радиотехнического устройства при одновременном снижении потока ложных срабатываний. В заявленном способе осуществляют разбиение всего интервала наблюдения входного сигнала на ряд стробов, период которых приблизительно совпадает со средним значением длительности обнаруживаемых импульсов. Затем проводят внутристробовую обработку, проводя прямое Фурье-преобразование в пределах каждого строба. Проводят расчет амплитудного спектра, разностного амплитудного спектра и взвешивание нормированным амплитудным опорным спектром. Затем осуществляют оценку энергетической характеристики и сравнение ее величины с пороговым значением. 2 ил.

Способ обнаружения импульсных сигналов в дискретно-непрерывной записи электромагнитного излучения, в котором осуществляется генерация периодических последовательностей управляющих импульсов дискретизации с периодом Т₀, стробовых импульсов с периодом T₁, М-кратным периоду Т₀, и цикловых импульсов с периодом Т₂, К-кратным периоду T₁, квантование входного сигнала с помощью АЦП с формированием двумерного набора отсчетов x_km входного сигнала, где m=1, 2, …, М - номера отсчетов входного сигнала в пределах одного строба, k=1, 2, …, K - номера стробов в пределах одного цикла, отличающийся тем, что дополнительно производят: формирование из набора x_km стробовых массивов в блоке реализации алгоритма одномерного дискретного быстрого преобразования Фурье комплексных Фурье-спектров y_km, где m=1, 2, …, М/2, формирование стробовых амплитудных спектров A_km=|y_km|, формирование стробовых разностных амплитудных спектров по правилу:

где Δ_km=A_km-A_k+1m; формирование стробовых разностных амплитудных спектров взвешенных нормированным амплитудным опорным спектром формирование суммарных энергетических характеристик в спектральной области в пределах каждого k-го строба с помощью сумматора и сравнение полученного суммарного кода с порогом, при превышении порога производят выделение строба размером М, содержащего импульсный сигнал.