СПОСОБ ЧАСТИЧНО-КОГЕРЕНТНОЙ ОБРАБОТКИ ЭХОСИГНАЛА ОТ ЗОНДИРУЮЩЕГО РАДИОИМПУЛЬСА С ЧАСТОТНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ Российский патент 2025 года по МПК G01S15/00 

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано при проектировании и разработке систем активной гидролокации, в устройствах предварительной обработки сигналов от цилиндрической антенны электронными формирователями характеристик направленности (ХН) с плавным сканированием.

Известны способы обнаружения и обработки гидроакустической информации, основанные на приеме эхосигнала на фоне шумов и помех в водной среде, последующего спектрального анализа путем многоканальной по частоте фильтрации, детектирования, выделения огибающей и сравнение с порогом [1, с. 351-352].

Подобный способ приведен также в [2], но в нем прием сигнала осуществляют статическим веером характеристик направленности, дискретизируют принятые сигналы, запоминают все принятые отсчеты и производят обработку входной информации во всех характеристиках направленности последовательно по мере поступления.

Известен «способ обнаружения локального объекта на фоне распределенной помехи» [3], основанный на излучении двух последовательных во времени посылок одинаковых зондирующих сигналов и корреляционной обработке эхосигналов, принятых с помощью одной сканирующей характеристики направленности приемной антенны, но при этом фактического улучшения отношения сигнал-помеха не производится.

Прототипом, наиболее близким по количеству общих признаков к предлагаемому способу, является способ частично-когерентной обработки (ЧКО) [4], сущность которого заключается в разбитии эхо-сигнала при обработке на К одинаковых частей, частотно-временные параметры которых сохраняют корреляционные свойства с аналогичными частями зондирующего сигнала в текущих условиях наблюдения, каждая из которых обрабатывается когерентно, а выходные эффекты после обработки каждого базового импульса суммируются некогерентно с последующим сравнением с порогом, однако, при этом длительность выходного эффекта (обработанного эхо-сигнала) увеличивается по мере роста числа базовых импульсов К и, соответственно, наблюдается низкая степень сжатия сигнала на выходе тракта ЧКО.

Основным недостатком приведенных аналогов и прототипа является незначительное улучшение (либо отсутствие такового) отношения сигнал-помеха (ОСП).

Задачей изобретения и его техническим результатом является значительное улучшение ОСП.

Заявленный технический результат достигается тем, что в способ частично-когерентной обработки, содержащий разбиение эхо-сигнала на К одинаковых частей, частотно-временные параметры которых сохраняют корреляционные свойства с аналогичными частями зондирующего сигнала в текущих условиях наблюдения, каждая из которых обрабатывается когерентно, а выходные эффекты после обработки каждого базового импульса суммируются некогерентно, при этом длительность выходного эффекта (обработанного эхо-сигнала) увеличивается по мере роста числа базовых импульсов К, введены новые признаки, а именно: группа аналого-цифровых преобразователей по числу пространственных каналов приемного тракта (n), выходы которых подключены ко входам (n) групп узкополосных цифровых фильтров, составляющих «гребенки» из (k) совместно охватывающих полосу пропускания на выходе тракта приема гидролокатора (F(1) ÷ F(k)) по каждому пространственному каналу, выходы которых являются входами группы из «k» узкополосных формирователей характеристик направленности с плавным сканированием, выходы которых поступают на входы k-канального запоминающего устройства рециркулирующего типа с сумматорами, выходом которого является выход устройства, на котором происходит последовательное сжатие эффекта от эхо-сигнала и резкое увеличение отношения сигнал/помеха, причем управляющие входы аналого-цифровых преобразователей, формирователей ХН и запоминающего устройства связаны с выходами единого устройства управления и синхронизации.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем.

Частично-когерентная обработка гидроакустической информации при использовании в качестве зондирующего сигнала радиоимпульса с частотной модуляцией (ЧМ) также основывается на разбитии эхо-сигнала на множество частей, частотно-временные параметры которых сохраняют корреляционные свойства с аналогичными частями зондирующего сигнала, но, в отличие от прототипа, каждая из которых обрабатывается когерентно при помощи согласованной узкополосной фильтрации «гребенкой» фильтров с одинаковой шириной полосы пропускания и различными центральными частотами (с равномерным шагом по частоте, равным ширине полосы пропускания одного фильтра) с последующим некогерентным сложением с задержкой результатов всех выходных эффектов от разночастотных колебаний, полученных в результате формирования одной сканирующей характеристики направленности в каждом частотном канале, при этом длительность выходного эффекта остается постоянной, равной длительности эффекта от одной части разбитого эхо-сигнала (происходит сжатие эффекта до длительности одного периода сканирования (на практике - трех)), а отношение сигнал-помеха (ОСП) короткого выходного эффекта резко возрастает по мере накопления эффектов от разбитого на части эхо-сигнала. Сам выходной эффект приводится к концу текущего эхо-сигнала.

Сущность изобретения поясняется структурной схемой устройства, реализующего способ ЧКО гидроакустической информации при использовании в качестве зондирующего сигнала радиоимпульса с ЧМ представленной на фиг.1, содержащей следующие узлы:

1 - устройство управления и синхронизации;

2.1 ÷ 2.n - набор аналого-цифровых преобразователей;

3.1.1 ÷ 3.k.n - набор «гребенок» узкополосных цифровых фильтров;

4.1 ÷ 4.k - набор формирователей сканирующих характеристик направленности;

5 - многоканальное синхронное запоминающее устройство рециркулирующего типа с сумматорами.

Функциональная схема устройства, реализующего способ ЧКО гидроакустической информации при использовании в качестве зондирующего сигнала радиоимпульс с ЧМ по возрастающему закону показана на фиг.2.

Здесь:

- 1 - устройство управления и синхронизации;

- 2 - набор синхронных аналого-цифровых преобразователей (АЦП (1) ÷ АЦП (N)), где N - номер пространственного канала (ПК) приемного тракта гидроакустического средства (ГАС);

- 3 - набор «гребенок» узкополосных цифровых фильтров, совместно охватывающих полосу пропускания на выходе тракта приема гидролокатора (F(1) ÷ F(k)) по каждому пространственному каналу, где k - номер «частотного канала» (ЧК), образовавшегося в результате частотной селекции узкополосных цифровых фильтров;

- 4 - набор узкополосных цифровых формирователей сканирующих характеристик направленности (У(1) ÷ У(k)), соответствующих формуле патента на полезную модель [5], реализованных в базисе FPGA;

5 - многоканальное синхронное запоминающее устройство рециркулирующего типа с сумматорами в составе:

- 5.1 - набор детекторов (Д(1) ÷ Д(k)), предназначенных для формирования огибающей радиосигнала ХН в каждом частотном канале;

- 5.2 - набор аттенюаторов - корректоров динамического диапазона (по одному в каждом частотном канале);

- 5.3 - набор сумматоров - накопителей (по одному в каждом частотном канале);

- 5.4 - набор синхронных запоминающих устройств рециркулирующего типа, формирующих задержку сигнала на один период сканирования ХН, совместно с сумматорами, выполняющие функцию суммирующей линии задержки;

- 5.5 - аттенюатор сигнала, реализующий коэффициент накопления К_н,

где

Когерентность обработки в каждом ЧК обеспечивается тем, что ширина полосы пропускания всех узкополосных фильтров из «гребенки» (Δf) должна быть равна обратной величине периода сканирования (Т) формирователей ХН (У(1) ÷ У(k)), при этом полосы пропускания соседних фильтров должны пересекаться на уровне (-3дБ) относительно максимума напряжения на центральной частоте.

Максимальная длительность зондирующего радиоимпульса (τ_зи) с гиперболической или линейной частотной модуляцией должна быть:

В результате последовательно выполняющихся операций задержки на период сканирования ХН и суммирования с сигналом следующего ЧК происходит сжатие выходных эффектов эхо-сигнала, при этом выполняется условие:

К_н - коэффициент накопления;

К_с - коэффициент суммирования, при этом К_с<1, но К_с ~ 1;

k - количество ЧК, участвующих в обработке.

В случае частично-когерентной обработки зондирующего сигнала в виде радиоимпульса с гиперболической или линейной частотной модуляцией по спадающему закону направление суммирования (накопления) меняется на прямо противоположное, то есть от ЧК(к) к ЧК(1) и структурная схема примет вид, показанный на фиг.3.

В качестве примера, поясняющего принцип способа частично-когерентной обработки гидроакустической информации, при использовании в качестве зондирующего сигнала радиоимпульса с линейной частотной модуляцией по нарастающему закону и числу ЧК (k=22), коэффициенте суммирования (К_с=0,97), имеем:

Эпюры выходных сигналов частотных каналов и выхода ЧКО представлены на фиг.4.

С целью расширения библиотеки зондирующих сигналов (радиоимпульсов различных длительностей) в наборе синхронных запоминающих устройств рециркулирующего типа с аттенюаторами необходимо предусмотреть отводы от выходов нужных ЧК с соответствующей коммутацией, управляемой от устройства выбора длительности посылки и вида модуляции (возрастающей или спадающей).

Список используемых источников

1. Бурдик B.C. Анализ гидроакустических систем. Л.: Судостроение, 1988, 392 с.

2. «Способ автоматической классификации». Патент на изобретение РФ №2461020 от 09.06.2011.

3. «Способ обнаружения локального объекта на фоне распределенной помехи». Патент на изобретение РФ №2634787 от 28.10.2016.

4. А.А. Илларионов, С.В. Козловский, А.Б. Корякин, С.А. Щерба. «К оценке уровня реверберационной помехи при частично-когерентной обработке эхо-сигналов». УДК 656.61.087:623.82 // Журнал «Известия Южного федерального университета», №12/2015, Таганрог.

5. «Устройство формирования характеристики направленности цилиндрической антенны в режиме приема». Патент на полезную модель РФ №157283 от 27.11.2015.

Использование: в гидроакустике, а именно в устройствах предварительной обработки информации сигналов от цилиндрической антенны электронными формирователями характеристик направленности с плавным сканированием. Сущность: изобретение основано на первичной когерентной обработке эхосигнала от радиоимпульса с частотной модуляцией при помощи согласованной фильтрации, формировании множества сканирующих характеристик направленности (по числу узкополосных фильтров) с последующим некогерентным суммированием с задержками на рециркулирующих запоминающих устройствах пачки разночастотных колебаний (эффектов от плавного сканирования формирователей направленности) и приведением полученного результата к концу действия эхо-сигнала. Техническим результатом является значительное увеличение отношения сигнал/помеха (ОСП) на выходе устройства. 4 ил.

Способ частично-когерентной обработки эхосигнала от зондирующего радиоимпульса с частотной модуляцией, содержащий разбиение эхо-сигнала на К одинаковых частей, частотно-временные параметры которых сохраняют корреляционные свойства с аналогичными частями зондирующего сигнала в текущих условиях наблюдения, каждая из которых обрабатывается когерентно, а выходные эффекты после обработки каждого базового импульса суммируются некогерентно, при этом длительность выходного эффекта (обработанного эхо-сигнала) увеличивается по мере роста числа базовых импульсов К, отличающийся тем, что группа аналого-цифровых преобразователей по числу пространственных каналов приемного тракта (n), выходы которых подключены ко входам (n) групп узкополосных цифровых фильтров, составляющих «гребенки» из (k) совместно охватывающих полосу пропускания на выходе тракта приема гидролокатора (F(1) ÷ F(k)) по каждому пространственному каналу, выходы которых являются входами группы из «k» узкополосных формирователей характеристик направленности с плавным сканированием, выходы которых поступают на входы k-канального запоминающего устройства рециркулирующего типа с сумматорами, выходом которого является выход устройства, на котором происходит последовательное сжатие эффекта от эхо-сигнала и резкое увеличение отношения сигнал/помеха, причем управляющие входы аналого-цифровых преобразователей, формирователей ХН и запоминающего устройства связаны с выходами единого устройства управления и синхронизации.