Цифровой анализатор Советский патент 1983 года по МПК G01R23/16 

Изобретение относится к специализированным средствам цифровой / техники, предназначенным для обработки радиолокационных сигналов с целью повышения разрешающей . способности радиолокационных стан ций подповерхностного зондирования земных покровов.

Известна кепстральная система, которая может применяться для решения подобных задач, содержащая 0 первый блок быстрого преобразования Фурье (БПФ), блок комплексного логарифмирования, первый блок обратного БПФ (ОБПФ), лифтр, второй блок БПФ, блок комплексного потен- 15 цирования, второй блок ОБПФ l .

Однако для обработки радиолокационных сигналов, занимающих конечную полосу частот, в пределах которой отношение сигнал шум боль- 20 ше 1, такая система непригодна из-за существенного увеличения уровня шумов за пределами полосы частот, занимаемой сигналом, после к омплексйого логарифмирования, 25 Кроме того, эта система являете, сложной в реализации из-за необхоимости обработки комплексной спектральной функции.

Наиболее близким к предлагаемо- jQ у является цифровой анализатор, который содержит последовательно соеиненные первый блок БПФ, блок выислени я квадрата модуля дискретного преобразования Фурье (ДПФ) , первый .,блок ограничения снизу, блок логарифирования, основное оперативное запоминающее устройство (ФЗУ), вспомогательное ОЗУ логический блок сравнения, вычитатель, первый блок умножения, первый блок ОБПФ, блок лифтра длинных частот, второй блок БПФ, блок деления, генератор весовой функции, блок ограничения сверху, блок потенцирования, блок вычитания среднего, последовательно соеди- 45 ненные генератор весовой функции, второй блок умножения и второй блок ОБПФ, а также третий блок умножения, второй блок ограничения снизу. Такое устройство позволяет обрабаты- 50 вать радиолокационные сигналы, занимающие конечную полосу частот, и более просто в реализации по сравнению с кепстральной системой, использующей комплексну ю спектральную функ-сс цию 2 .:

Однако это устройство требует достаточно сложной в реализации процедуры трехкартной весовой обработки, чтобы уменьшить влияние шумов после 60 логарифмирования, и не позволяет использовать, априорную информацию о форме элементарного колебания (т.е. отражения, если речь идет об обра- ботке составных сигналов, сформиро. g

ванных в средах с отражениями), на основании которой можно было бы повысить эффективность подавления кепстра элементарного колебания и тем самым повысить точность измерения взаимных временных сдвигов отражений в составном сигнале. Кром того, необходимо использование блоIковлогарифмирования и цотенциро вания, достаточно сложных в реализации.

Цель изобретения - повышение точности измерения взаимных временных сдвигов.

Постаззленная цель достигается тем, что цифровой анализатор, содержащий последовательно соединенные блок быстрого преобразования Фурье и блок вггчисления квалрата модуля дискретного преобразования Фурье (ДПФ) , оперативное зaпo 4инaющee устройство, блок деления, блок вычитания среднего и последовательно соединенные генератор весовой функции, блок умножения иблок обратного быстрого преобразования Фурье, В1зеден переключатель, информационны вход которого соединен с выходом блока вычисления квадрата модуля, первый выход - с входом записи оперативного запоминающего устройства, второй выход - с первым входом блока деления, второй вход которого подключен к выходу считывания оперативного запоминающего устройства, а выход через блок вычитания среднего - к другому входу блокаумножения .

На фиг. 1 представлена структурная электрическая схема цифрового анализатора на фиг. 2 - структурная электрическая схема блока вы- . читания средн о; на фиг. 3 - структурная электрическая схема блока вычисления квадрата модуля ДПФ; на фиг. 4 - временные диаграммы работы блока управления.

Цифровой анализатор (фиг.1) содержит аналого-цифровой преобразователь 1, е)лок 2 быстрого преобразования Фурье (БПФ), блок 3 вычисления квадрата модуля ДПФ, переключатель 4,, оперативное запоминанщее устройство (ОЗУ) 5, блок 6 деления, блок 7 вычитания среднего, блок 8 умножения, генератор 9 весовой функции, блок 10 обратного быстрого преобразования Фурье (ОБПФ), цифроаналоговый преобразователь 11, блок 12 управления. Блок 7 вычитания среднего (фиг.2) содержит накапливающий сумматор 13, регистр 14 , выходной регистр 15, опера тивное запоминающее устройство (ОЗУ 16, вычитатель 17. Блок 3 вычисления квадрата модуля ДПФ (фиг.З) содержит умножители 18 и 19, сумматор 20, Основой для построения и принц па действия инверсного фильтра яв ется следующее. Сигнал на входе приемника ради локационной станции подповерхност ного зондирования, сформированный в результате отражения от слоев в земном покрове с хорошо отражающими границами раздела, можно представить в виде суммы отражени от каждой из границ раздела. Если это, например, лед, то первым отражением будет сигнал, отраженный гарницей раздела воздух - лед, а вторым, запаздывающим относител первого, является сигнал, отраженный от границы раздела лед - в да. Для тонкого малосоленого льда толщиной до 40 - 50 см оба , отражения имеют примерно одинаковую форму, близкую к форме зондирующего сигнала и в общем случае разную амплитуду. Известно, что существующие методы подповерхност ной радиолокации не позволяют измерять толщину льда менее 50 см вследствие невозможности разрешит в принимаемом сигнале отражения от первой (воздух - лед) и второй (лед - вода) границ раздела. Не лучшие результаты получаются и в случае других природных слоистых сред. Устройство позволяет благодаря дополнительной обработке увеличить разрешающую способность радиолокационных станций подповерхностного зондирования. Пусть отраженный сигнал s{t) , п шедадий приемник и преобразов анный например, с помощью стробоскопической обработки, в область видеоили даже звуковых частот имеет два отражения S, (t) и. .S (t) , и записы ется в виде - 5itl-SAM 5aW, где Sj,(t) aSi-Ct-C) , - взаимньй сдвиг, а - относительная амплитуда а в общем случав может быть больше или меньше нуля, а модуль/а/ - бол ше или меньше единицы. Если спектральную функцию перво го ;,отражения Si(t) записать как .uie , де со - круговая частота; i - задержка $)( t)относ те ль но , т о спектральная функция второго отражения будет соответственно равной а Таким образом, для составного сигнала S(t) получим спектральную функцию oS(w) в виде )-5,.) (О Из {1.) нетрудно получить квадрат модуля 5(w) |5rf--l 2) Из (2) следует, что взаимную задержку можно измерить с высокой точностью, если в (2) исключить множитель 1зЛи)1 / то можно сделать, имея априорную информацию об этом множителе. Для случая подповерхностного зондирования земных покровов такая информация может быть получена на основании сигнала с одним отражением или даже зондируюшего сигнала. И в том и в другом случае квадрат модуля спектральной функции с точностью до постоянного множителя близок к . Сигнал с одним отражением получается в случае, чогда земной покров имеет одну хорошо отражающую границу раздела, например, воздух - вода. Сигнал от водной поверхности может служить образцом элементарного колебания для получения и запоминания функции 1Ъ6 ( постоянный коэффициент. Если затем в процессе измерения правую часть 2 разделить на эту функцию, то получим чисто вещественную четносимметричную отно сительнос,з О спектральную функцию М iSCcoU „(5дсо5сог.а)(3) Обратное преобразование Фурье :ОТ Л (ы) на оси времени дает три в -импульса: один положительный при с амплитудой одинаковых, симметрично расположенных относительно в точках il с амплитудой Щ Величина. 1 в (3) является средним значением. Если эту величину определить путем усреднения (3), по О) , а затем вычесть из исходного выражения его среднее значение, то после обратного преобразования Фурье будем иметь только два импульса, расположенных в точках i 1 относительно .Измерив временной интервал между этими импульсами, равный 2 L; можно -гораздо точнее, чем это можно было по сигналу S {t) , определитьтолщину слоя земного покрова, приведшего к формированию сигнала S (t) . С помощью схемы автоматической егулировки усиления в приемнике остаточно просто обеспечить примерное равенствоfb/ « Р Поэтому в дальнейшем полагаем 1Ь| 1. На практике получить S -импульсы не удается из-за наличия шумов и отличий в форме образца элементарного колебания и отражений в сосiTaBHOiM,сигнале. В области, где шумы по мощности соизмеримы или преобладают над квадратом модуляспектра йьвой функции образца, операция де ния в левой части (3) невыполнима на тех частотах, где модуль спектральной функции образца равен нулю, или же А со будет иметь очень большие случайные по величине выбро сы на тех частотах, где числитель левой части 13) много больше знаменателя. Для уменьшения влияния шумов целесообразно применение частот ных окон, за пределами которых А(ь)) Окном выделяется та часть А (А)) , где модули спектральных функций отражений и образца близки друг к другу и отношение сигнал/шум по мощ ности для сигнала и образца больше При вйдоимпульсном зондировании спектральные функции 3 (со) и 5i(w) сосредоточены в полосе со средней частотойи 0. Эту полосу можно вьщелить прямоугольным окном/ определит в пределах окна среднее значение, вычесть его из А (0) и результат умножить на весовую функцию, пре,образование Фурье которой имеет малый уровень боковых лепестков при небольшом расширении главного лепес ка относительно преобразования Фурь прямоугольного окна. Наиболее часто употребляются весовые функции )&нна Хэмминга, Блэкмана и др. Ограничени А (со) окном и взвешивание в пределах окна приводят к уменьшению амплитуды и расширению 8-импульсов Устройство работает следующим образом. В соответствии с изложенным выше введены два режима работы. В пер вом подготовительном режиме происхо дит запись в блок ОЗУ 5 отсчетов квадрата модуля ДПФ образца элементарного колебания. Во втором основном режиме производится обработка составного сигнала, полученного в результате зондирования слоистых земных покровов. Переход от одного режима к другому обеспечивается |переключателем 4 и блоком 12. Он может осуществляться как автоматически, так и вручную. Для управления переключателем 4, с целью перех да из одного режима в другой, из блока 12 подаются импульсы (не пока заны) . в течение времени обработки образца блок 12 управления подключает вход переключаетепя 4 к его первому выходу. При этом происходит запись в ячейки ОЗУ 5 отсчетов квад рата модуля ДПФ образца. Эти отсчеты формируются следующим образом. Из аналогового сигнала образца, поступающего на вход аналого-цифрового преобразователя 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 и подается на вход блока 2 БПФ. Частота взятия выборок определяется периодом Т повторения тактовых импульсов, поступающих на вход управления аналого-цифрового преобразователя 1 с первого выхода блока 12 управления (фиг.4а). Эти импульсы управляют записью , цифровых выборок во входной регистр блока 2 БПФ. В течение интервала определения сигнала берется N выборок, где N соответствует размеру ДПФ и для алгоритма БПФ является степенью 2. Началом вьшолнения БПФ управляют импульсы (фиг.46), которые поступают с второго выхода блока 12 управления на второй вход блока 2 БПФ после записи в его .входной регистр N-ой цифровой выборки. После выполнения ДПФ оказываются записанными в два выходных регистра блока 2 БПФ регистр вещественной части ДПФ и регистр мнимой части ДПФ. Так для действительных сигналов коэффициенты ДПФ попарно комплексно сопряжены, т.е. имеют одинаковую величину квадрата модуля для f-ro и (N-f)-ro коэффициентов, где fal,2,3,... ,Х/2-1, то после выполнения БПФ необходимо обрабатывать не более, чем (N/2+1)данных. С другой стороны, часть из оставшихся (N/.2+1) коэффициентов ДПФ, имеющих небольшую величину модуля, являются искаженными шумами и их за пределами .окна следует заменить нулевыми отсчетами. Если предположить, что обрабатываются видеоимпуль сные сигналы, то в пределах J. шириной в М отсчетов должны быть коэффициенты ДПФ с номерами О 1(М-1)/2 и Nr-(M-l)(N-l), если М - нечетное число и M-«(N-1 ) или с номерами ,и (N-M/2)(N-l), если М - четное шсло-и М N. ПЬичем коэффициенты ДПФ, соответствующие краям окна, делятся на 2. Таким образом, учитывая симметрию, необходимо обрабатывать всего(М+1)/2 коэффициентов ДПФ в случае М нечетного или (М/2+1)коэффициентов в случае М четного. Ниже полагаем И четным числом. С выходных регистров блока 2 БПФ считывается пара отсчетов, соответствующая мнимой и BemecxBeHEioft части каждого коэффициента ДПФ для номеров f от О до М/2, которая поступает на два входа (Я ) блока 3 вычисления квадрата модуля ДПФ Считыванием из блока 2 БПФ и процессом вычисления в блоке 3 вычисления квадрата модуля ДПФ управляют импульсы с третьего выхода блока 12 управления (фиг.4в), которые имеют вид пакета из (М/2+1) импульсов. Период следования импульсов (фиг. 4,в) определяется временем вычисления квадрата модуля одного коэффициента ДПФ. Отсчеты квадрата модуля ДПФ далее с выхода блока 3 вычисления квадрата модуля ДПФ через переключатель 4 поступают на вход записи ОЗУ 5 и в его ячейках запоминаются на все время работы устройства во 2-ом режиме. Для . управления записью на первый вход управления ОЗУ 5 подаются импульсы с четвертого выхода блока 12 управления (фиг.4,г). Эти импульсы сдвинуты относительно импульсов (фиг.4в на один период повторения так, чтобы каждый из импульсов (фиг.4,г) йоступал на первый вход управления ОЗУ 5 во время, когда на выходе блока 3 вычисления квадрата модуля ДПФ появляется двоичный код рчередного отсчета квадрата модуля ДПФ. Во втором режиме вход переключателя 4 соединяется с его вторым выходом, к которому подключен вход делимого блока 6 деления. На выход делителя блока б деления одновременно с отсчетами квадрата модуля ДПФ исследуемого составного сигнала, поступающими совторого выхода переключателя 4 с выхода считывания ОЗУ 5 подаются отсчеты квадрата модуля ДПФ образца, которые были записаны в первом режиме. Считыванием их ОЗУ 5 и процессе деления в блоке б деления управляет последовательность имйУльсов с пятого выхода блока управления (фиг. 4,г). Результат деления (частное) с выхода блока 6 деления поступает на вход блока 7 вычитания среднего. В этом блоке 7 производится запоминание отсчетов в пределах 1/2 окна ( четное) для i от О до , накопление этих отсчетов и, учитывая свойство четности, определяется сумма отсчетов результата деления для всего окна при 0 1 ЛЛ|211(м-ЛА|2)ии-1,

затем вычисляется среднее значение делением суммы на число отсчетов, равное М, и, наконец, полученное среднее значение вычитается из постпивших отсчетов частного. Всеми этими операциями управляют импульсы (фиг. 4д,е). Вычитание среднего

значения (фиг. 2) в пределах окна исключает на выходе устройства импульс, соответствуквдий в (3) величине (1+а),и позволяет примерно вдвое уменьшить разрешаемую толщину слоя.

Отсчеты частного с нулевым средним считываются и поступают на выход блока 7 вычитания среднего. Считыванием управляют импульсы (фиг.4е) С выхода блока 7 вычитания среднего отсчеты поступают на один из входов блока 8 умножения, на другой вход которого подаются отсчеты весовой функции, формируемые генератором 9 весовой функции. Блок 8 умножения и генератор 9 весовой функции управляются импульсами (фиг.4,е). С выхода блока 8 умножения отсчеты произведения поступают на вход блока 10 ОБПФ и там запоминаются во входном регистре. Записью их во входной регистр также управляют .импульсы (фиг.4.е). Во входном регистре блока 10 ОБПФ запись каждого входного отсчета в силу четной симметрии последних, кроме и (когда ), производится сразу в две ячейки с номерами f и N-f. Для (N-M/2) , т.е. за пределами окна, в ячейки этого регистра записываются нули. Началом выполнения ОБПФ управляют импульсы блока 12 управления (фиг.4ж), которые поступают на второй вход управления блока 10 ОБПФ после записи во все его N ячеек соответствующих о счетов. Результат выполнения ОБПФ в силу четности входимых данных является чисто действительным. Отсчеты выходных данных блока 10 ОБПФ считываются импульсами (фиг.) из блока

12управления поступают в двоичном коде на первый выход устройства и на вход блока цифро-аналогового преобразователя 11 . С первого выхода двоичный код может подаваться на цифровые устройства-измерения и регистрации взаимного временного сдвига, а с второго выхода устройства (выход цифро-аналогового преобразователя 11 аналоговый сигнал поступает на уст,ройство визуальной индикации и измерения.

В блоке 7 вычитания среднего (фиг. 2) регистр 14 сдвига предназначен для сдвига двоичного кода, записанного в регистр числа, на 1 разряд в сторону стариего, что соответствует умножению этого числа на 2, и преобразования кода, если число оказывается отрицательным. Умножение на 2 выполняется только для отсчетов с f 1,2,...М/2, а если , то для ,2,..., (N/2-1). Отсчеты с номерами f N/ 2 по.ступают в накапливающий сумматор

13без сдвига, испытывая только

преобразование кода/ если это необходимо. Регистр 14 сдвига обеспечив.ает деление накопленной в накапливающем сумматоре 13 суммы на число отсчетов квадрата модуля ДПФ S йределах окна, равное М. В.том же накапливающем сумматоре 13 код результата деления запоминается в выходном регистре 15. ОЗУ 16 предназначен для запоминания М/2+1 отсчетов с номерами от О до М/2, поступающих на его вход записи с выхода блока 6 деления. Это запоминание осуществляется на вермя работы накапливающего сумматора 13. Й1 1читатель 17 предназначен для вычитания среднего значения, хранящетося в выходном регистре 15. Для записи чисел врегистр 14 сдвига и ОЗУ 16 в блок 7 вычитания среднего подаются импульсы (фиг.4,е) Импу-льсы (фиг. 4,е ) используюЗся для считывания чисел из ОЗУ 1-6 и с выходного регистра 15. Импульсы (фиг.4,д) управляют считыванием суммы из накапливающего сумматора 13 и началом деления в выходном регистре 15.

Блок 7 вычитания среднего работает следующим образом.

Отсчеты с выхода блока 6 делени поступают на вход записи ОЗУ 16 и запоминаются в его ячейках в соответствии с их номерами от до .. Одновременно каждый отсчет записывается в регистр 14 сдвига, сдвигается на один разряд и переписывается в накапливающий сутуматор гд€ суммируется с предыдущими отсчетсшди. После поступления последнего отсчета с накопленная в накапливающем сумматоре 13 сумма считывается и подается в выходной ре;гистр 15. На тактовый вход выходного регистра подается код числа М (импульсы фиг.4,и)из блока 12 управления. После выполнения деления начинается считывание отсчетов, записанных BI ячейки ОЗУ 16. Одновременно считывается код частного с выходного регистра 15. Оба кода подаются в вычитатель 17 для вычитания из первого числа второго. Код частного при считывании не стирается. Двоичный код разности подается на вход блока 8 умножения. В состав блока 3 вычисления

Вход

квадрата модуля ДПФ (фиг.З) входят умножители 18 и 19 и сумматор 20. На оба входа каждого умножителя 18 и 19 подается код одного и того же числа, поэтомуна выходе полу5 чается код квадрата этого числа. Числа с выходных регистроввещественной (Rg) и мнимой (3т) частей блока 1 БПФ на входы и 3 умножителей 18 и 19 поступают одно0 временно. После умножения производится сложение квадратов чисел в сумматоре 20. Код суммы с выхода сумматора 20 поступает на вход переключателя 4.

5 Таким образом, предлагаемое устройство позволяет увеличить разрешающую способность иточность РЛС подповерхностного зондирования, уменьшив нижнюю границу диЖазона

0 измеряемых толщин льда до 25-35 см по сравнению с 50 см при отсутствии обработки в зависимости от отношения сигнал/щум; 25 см при отношении более 40 дБ и 35 см при отношении

5 сигнал/шум более 14 дБ. При этом точность измерения малых толщин не хуже 50-60% с плавным ее увеличением до 5-10% при толщинах более 60-75 см (предполагалось, что грал нице разрешения в смысле Рэлея в

сигнале обработки без шумов соответ ствует толщина 45 см), Прототип обеспечивает близкие результаты при отношениях сигнал/шум больших 40 дБ и становится практически не5 работоспособным при отношении /сигнал/шум меньшем 20 дБ,, тогда как предлагаемое изобретение позволяет измерять сдвиг импульсов даже при отношении сигнал/шум,

0 равном О дБ, если правильно выбра на ширина частотного окна. Правда, при таком отношении сигнал/шум точность выше 50% обеспечивается для толщин более 50 см. Предлага5 емое изобретение по сравнению с прототипом при отношениях сигнал/, шум больших 40 дБ обеспечивает лучшие рс13решение и точность измерения не хуже, чем в 1,2-1,3 раза, а при меньших значениях отношения точность, обеспечиваемая прототипом резко ухудшается, а предлагаемое изобретение сохраняет достаточно .высокую эффективность вплоть до 5-10 дБ.

.

Вх

ЦИФРОВОЙ АНАЛИЗАТОР, содержащий последовательно соединенные блок быстрого преобразования .. Фурье и блок вычисления квадрата модуля дискретного преобразования (ДПФ) , оперативное залтоминаняцёе устройство, блок деления, блок вычитания среднего и последовательно соединенные генератор весовой функции, блок умножения и блок обратного быстрого преобразования Фурье, отличающийся тем,что,с целью повышения точности измерения взаикн з1Х временных , введен переключатель, информационнь1й вход которого соединен с выходе блока вычисления квадрата модуля ДПФ, первый выход - с входом записи оперативного запоминающего устройства, второй выход - с первым входом.блока деления, второй вход которого подключен к выходу считывания оперативного запомина.ищего устройства, а выход через блок вычитания среднего - к дру.гому входу блока умножения.