Устройство распознавания одиночных и групповых составных импульсных сигналов Советский патент 1986 года по МПК G01R23/16 

тания среднего, блок 8 умножения, генератор 9 весовой функции, блок 10 обратного быстрого преобразования Фурье, цифроаналоговый преобразователь (11АП) 14, блок 15 регистрации, синхрогенератор 16, введены первый, второй 11, 12 блоки сравнения, блок 13 индикации одиночных и групповых импульсов. Ситуации отсутствия сигнала соответствуют коды О, О, 00 на выходах блоков 11-13 соответственно и сигнал, равный.О, на выходах ЦАП 1А. Присутствию одиночного сигнала

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для обработки локационных или сейсмических сигналов.

Цель изобретения - повышение вероятности распознавания одиночных и групповых импульсных сигналов.

На фиг.1 представлена функциональная схема устройства на фиг.2 - временные диаграммы выходных сигналов синхрогенератора в подготовительном режиме; на фиг.З - то режиме обработки.

Устройство содержит аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 1, блок 2 быстрого преобразования Фурье (БПФ), блок 3 вычисления квадрата модуля коэффициентов дискретного преобразования Фурье (ДПФ), переключатель 4, блок 5 памяти, блок 6 деления, блок 7 вычисления и вычитания среднего, блок 8 умножения, генератор 9 весовой функции, блок 10 обратного преобразования Фурье (ОБПФ)t первьй блок 11 сравнения, второй блок 12 сравнения, блок 13 индикации одиночных и групповых импульсов, цифроаналоговый преобразователь 14, блок 15 регистрации, синхрогенератор 16.

Выход АЦП 1 соединен с сигнальным входом блока 2 БПФ, первый и второй выходы которого соединены с первыми и вторыми сигнальными входами блока 3 вычисления квадрата модуля ДПФ, выход которого соединен с сигнальным входом переключателя 4, первый выход

соответствуют коды 0., t, 01 на выходах блоков 11-13 соответственно и сигнал, равный 1, на выходе ЦАП 14. Присутствие групповых импульсов отразит код 1, 1, 10 на выходах блоков 11-13 и сигнал 2 на выходе ЦАП 14. Устройство позволяет повысить вероятность правильного распределения одиночных и групповых им - пульсных сигналов в случае наличия импульсов и разброса формы элементарных импульсов . 3 ил.

которого соединен с сигнальным входом блока 5 памяти, а второй - с первым сигнальным входом блока 6 деления, второй сигнальный вход которого

соединен с выходом блока 5 памяти, а выход - с сигнальным входом блока 7 вычисления и вычитания среднего, выход которого соединен с первым сигнальным входом блока 8 умножения

второй сигнальный вход которого соединен с выходом генератора 9 весовой функции, а выход - с входом блока 10 ОБПФ.

Выход 11АП 14 соединен с входом

блока 15 регистрации. Первый выход синхрогенератора 16 соединен с управляющим входом А1Щ 1 и первым управляющим входом блока 2 БПФ. Второй выход соединен с вторым управляющим

входом блока 2 БПФ, третий выход - с третьим управляющим входом блока 2 БПФ и управляющим входом блока 3 вычисления квадрата модуля ДПФ Четвертый выход синхрогенератора 16 соединен с первым управляющим входом блока 5 памяти. Пятый выход соединен с управляки1{им входом переключателя .4, щестой выход - с вторым управляющим входом блока 5 памяти, управляющим вводом блока 6 деления и первым управляющим входом блока 7 вычисления и вычитания среднего. Седьмой выход синхрогенератора 16 соединен с вторым управляющим входом, а восьмой с третьим управпякицим входом блока 7 вьтчисления и вычитания среднего, де3

вятый выход соединен с четвертым управляющим входом блока 7 вычисления и вычитания среднего, с управляющими входами генератора 9 весовой функции и блока 8 умножения и первы управляющим входом блока 10 ОБПФ, второй и третий управляющие входы которого соединены с десятым и одиннадцатым выходами синхрогенератора 16. Входы блока 13 индикации одиноч ных и групповых импульсов соединены с выходами блоков 11 и 12 сравнения а выход - с входом ЦАП 14. Сигнальный вход первого блока 11 сравнения соединен с выходом блока 10 ОБПФ, а первый управляющий вход - с двенадцатым выходом синхрогенератора 16, тринадцатый выход которого соединен с первым управляющим входом второго .блока 12 сравнения, а.четырнадцатый с вторыми управляющими входами первого 11 и второго 12 блоков сравнения, сигнальный вход которого соединен с выходом АЦП 1. Входом устройства является вход АЦП 1, первым вы ходом - выход блока 10 ОБПФ, а вторым - выход блока 13 индикации одиночных и групповых импульсов.

Устройство работает следующим образом.

Сигнал на входе локационного приемника, сформированный, например, в слоистой среде с контрастными границами раздела, можно представить в виде суммы отражений от каждой гра- ницы раздела. Задача состоит в .том, чтобы различить сигнал, отраженный средой с одной контрастной границей раздела (например воздух - вода) от сигнала, .отраженного средой с числом контрастных границ раздела две и больше, включая переотражения, даже в том слзгчае, если отраженные импульсы перекрываются во времени. Анало- гичным образом задача может ставить-

ся и для точечных объектов: распознавание одиночных и групповых точечных отражающих объектов.

Пусть сигнал S(t) на выходе линейного приемника, т.е. на входе АЦП 1 (фиг.1), содержит два отраженных импульса S(t) и S.j(t) имеет вид

S(t)S, (t)+S2(t),

где S,(t)aS(t-f),

t - взаимный сдвиг импульсов S,(t) и S,(t),

а - относительная амплитуда

(а О и UTi 1).

Если спектральную функцию первого импульса S(t) записать как

S, («)

« ,

где u - круговая частота

i- - задержка S (t) относительно начала временного окна или интервала наблюдения, для которого ,

то спектральная функция второго отражения S,(t) соответственно равна

aS.,(u)e J (,

Таким образом, спектральная функция составного сигнала S(t) имеет

вид

S(и) S (i) ( Нае- ) , (1)

тогда

IS (и) I 2 IS ((j) 2 (1 1-2а cos ut+a ). (2)

Отсюда следует, что временную задержку t можно измерить с высокой точностью, применив обратное преобразование Фурье, если в уравнении (2) исключить множитель |S ( J)M. Это можно сделать, имея априорную информацию о множителе. Для случая зондирования с лоистых сред или точечных объектов такая информация может быть получена из сигнала с одним отражением или даже используя зондирующий сигнал в случае активной локации. Сигнал с одним отражением может быть получен от одиночной контрастной границы раздела в слоистой среде (например, воздух - вода) или при отражении от одиночного точечного объ

екта. Этот сигнал можно использовать в качестве образца или зталона элементарного колебания для вычисления и запоминания функции 1Ь8(и)И, где b - коэффициент, учитывающий взаимный разброс по амплитуде наибольшего элементарного импульса в отраженном исследуемом сигнале и образцово- го импульса. Если затем в процессе обработки правую часть уравнения (2) разделить на эту функцию, то можно получить вещественную четную спект- тральиую функцию

А(ы)

IS(u))l 1+а IbS (а)2 1Ь|2

(1+2а cosijL+a2).(3)

Обратное преобразование Фурье от A(w) на оси времени дает три импуль- са: один положительный при с амплитудой (1+а2)/|ЬР и два одинако- вых, симметрично расположенных относительно в точках с амплитудой а/1Ь|2. Величина (1+а2)/1ЬР в уравнении (3) является средним значением. Если эту величину определить путем усреднения вьфажений (3) по ю, а затем вычесть ее из исходного выражения, то посла обратного преобразования Фурье останется только два импульса в точках t tt . Временной ин- тервал между этими импульсами можно измерить с высокой точностью путем фиксации положения максимумов абсолютных значений.

Кроме того, если 0, то сигнал S(t) - это фактически одиночный элементарный импульс (1+a)S(t). При этом A(u)const(1+a) и вычи- , тание среднего значения из А(и) (также равного (1+a)2/lbl2) приводит к нулевому уровню сигнала после обратного преобразования Фурье.

С помощью схемы автоматической регулировки усиления в приемнике можно обеспечить примерное равенство Ь1 const. Поэтому в дальнейшем можно считать .

Устройство работает следующим образом. .

Назначение, принцип действия и связи между преобразователем 1, блоками 2,3,6-8,10, генератором 9 полностью соответствзтот таким же блокам известного устройства. Эта часть устройства может использоваться для из- мерения I по выходному сигналу блока 10 путем фиксации положения двух наибольших по абсолютному значению равновеликих пиков по обе стороны от - точки или одного наибольшего пик на половине интервала определения от до , где N - размер ДПФ. Для распознавания одиночных и групповых импульсных сигналов, а также фиксации наличия или отсутствия сигнала на входе блока 1 АЦП и записи всей этой текущей информации служат блоки 11-13, 15, преобразователь 14.

Устройство работает в двух режимах. В первом, подготовительном, ре- жиме происходит запись в блок 5 памяти отсчетов квадрата модуля ДПФ образца элементарного колебания. Во

тором, основном,режиме выполняется бработка отраженного сигнала. Переод от одного режима к другому обесечивается переключателем 4. Этот ереход может осуществляться как ав- оматичееки, так и вручную.

Управление переключателем 4 осуествляется синхрогенератором 16 (выход д). Во втором режиме может выполняться измерение сдвига t межу двумя наибольшими по абсолютноу значению импульсами на выходе блока 10, чему соответствует измерение сдвига между двумя наибольшими по амплитуде элементарными импульсаи во входном сигнале, а также записывается информация о наличии и составе этого же .сигнала блоком 15 регистрации.

В течение времени обработки образца синхрогенератор 16 подключает вход переключателя 4 к его первому выходу. При этом происходит запись в ячейки блока 5 памяти отсчетов квадрата модуля ДПФ образца. Эти отсчеты формируются следующим образом. Из аналогового сигнала образца, поступающего на вход АЦП 1, в соответствии с теоремой Котельнико- ва с частотой не менее, чем в 2 раза большей верхней частоты в спектре об- рабатьшаемых сигналов берутся выборки, амплитуда которых преобразуется в двоичный код, который подается на вход блока 2 БПФ. Частота взятия этих выборок определяется периодом повторения тактовых импульсов, поступающих на вход управления АЦП 1 с выхода а синхрогенератора 16. Эти же тактовые импульсы управляют записью цифровых выборок во входной регистр блока 2 БПФ. В течение интервала определения сигнала берется N выборок, причем для алгоритма БПФ, как правило N является степенью 2. Началом выполнения БПФ управляют импульсы, поступаннцие с выхода б синхрогенератора 16 на второй вход управления блока 2 БПФ после записи в его входной регистр N-й цифровой выборки сигнала. С выходных регистров блока 2 БПФ считывается пара отсчетов, соответствующих мнимой и вещественной части каждого коэффициента ДПФ в пределах половины частотного окна. Использование для дальнейшей обработки только половины козсЬФициентов ДПФ из числа попадающих в частотное окно с нормированными частотами f от О до М/2, где F tN - число, определяющее ширину частотного j окна (если оценивать числом коэффициентов ДПФ, то ширина при равна М+1), объясняется тем, что коэффициенты ДПФ вещественного сигнала имеют четкую симметрию модуля относи- 10

тельно или в зависимости от выбора интервала определения для ./2, N/2 или O,N. Пара данных для каждого коэффициента ДЦФ используется для вычисления квадрата моду- 15 ля ДПФ в блоке 3. Эта пара данных поступает на два входа блока 3, Счи- тьгоание каждой пары с выходных регистров блока 2 БПФ и управление процессом вычисления квадрата модуля 20 ДПФ осуществляют импульсы, поступающие с выхода в синхрогенератора 16. Отсчеты квадрата модуля ДПФ далее с выхода блока 3 через переключатель 4 поступают на вход записи блока 5 памяти и в его ячейках запоминаются на все время работы устройства во втором режиме. Для управления записью на первый вход управления блока 5 подаются импульсы с вы- 30 хода г синхрогенератора 16.

Во втором режиме работы вход переключателя 4 соединяется с его вторым выходом, к которому подключен вход делимого блока 6 деления. На вход 35 делителя блока 6 деления одновременно с отсчетами квадрата модуля ДПФ исследуемого составного сигнала, поступающими с второго выхода переключателя 4, с выхода считывания блока 5 памяти подаются отсчеты квадрата модуля ДПФ образца с тем же значением нормированной частоты f, которые были записаны в первом режиме. Считыванием их из блока 5 памяти и про- цессом деления в блоке 6 управляет последовательность импульсов с выхоа е синхрогенератора 16. Результат деления с выхода блока 6 деления поступает на вход блока 7 вычисления 50 и вычитания среднего. В блоке 7 производится запоминание отсчетов с нор- и|рованными частотами f от О до К/2, которым управляют те же импул| сы с ыхода е синхрогенератора 16, и 55 сложение этих отсчетов методом накопения с учетом симметрии модуля ДПФ ля получения суммы отсчетов частного в пределах всего частотного окна Затем вычисляется среднее значение делением-суммы на число отсчетов, равное М+1, и полученное среднее значение вычитается из поступивших отсчетов частного. Этими операциями управляют импульсы с выходов ж, з, и синхрогенератора 16, из которых импульсы с выхода ж предназначены для считывания накопленной суммы и запуска схемы деления на М+1, с выхода з - это импульсы дв ичного-числа М+1, а с выхода и используются для вычитания среднего из отсчетов частного и подачи отсчетов разности на выход блока 7. Эти отсчеты далее поступают на один из входов блока 8 умножения, на другой вход которого подаются отсчеты весовой функции, формируемые генератором 9 весовой функции. С выхода блока 8 умножения отсчеты произведения поступают на вход блока 10 ОБПФ и там запоминаются во входном регистре. Работой блока 8, генератора 9 и записью во входной регистр блока 10 также управляют импульсы с выхода и синхрогенератора 16. Во входном регистре блока 10 ОБПФ формируются исходный для ОБПФ массив. Запись каждого отсчета с выхода блока 8 в силу четной симметрии последних, кроме и (при ), производится сразу в две ячейки. Для интервала определения по ,Nj это - пара ячеек, соответствующих нормированным частотам f и N-f. Для М/2 (N-M/2), т.е. за пределами частотного окна, в ячейки этого регистра записываются нули. Началом выполнения ОБПФ управляют импульсы, поступающие с выхода к синхрогенератора 16, которые начинают подаваться на второй вход управления блока 10 после записи во все N ячеек входного регистра соответствз ощих отсчетов Результат вьтолнения ОБПФ в силу четности входных данных является чисто действительным и также четным относительно , если использовать интервал определения 0,NJ. Отсчеты выходных данных блока 10 ОБПФ считываются импульсами, поступающими с выхода л синхрогенератора 16 и подаются на первьй выход (Вых.1) устройства в двоичном коде и на первый вход первого блока 11 сравнения. С

Вых.1 двоичный код используется для измерения и регистрации взаимного временного сдвига.

В первом блоке 11 сравнения отсче ты, поступанщие на первый вход с выхода блока 10 ОБПФ, нормализуются по знаку путем присвоения всем им положительного знака и из каждого нормализованного таким образом отсчета вычитается число, соответствующее заданному пороговому значению 110РОГ-1 Код этого числа поступает в виде последовательности импульсов с выхода м синхрогенератора 16 на второй вход блока 11 сравнения и здесь запоминается. По знаку разности фиксируется превышение порогового уровня nOPOr-l. Так, например, если знаку + в знаковом разряде разности соответствует уровень логической 1 знаку - - уровень логического О, то после вьтолнения операции сравнения с пороговым уровнем половины отсчетов с п от О до N/2 (в силу чет- ности этого достаточно), поступающих с выхода блока 10 ОВПФ в знаковом разряде разности, фиксируется хотя бы одна 1, если бьшо хотя бы одно превышение уровня ПОРОГ-1. Ее- ли такого превьшения не было, то для всех отсчетов с выхода блока 10 в . знаковом разряде разности будет О. Уровень О или 1 в знаковом раз- ряде фиксируется, запоминается и поступает на выход блока 11 сравнения. При этом, если было хотя бы одно превьшение отсчетом с выхода блока 10 уровня ПОРОГ-1, то на выходе блока 11 присутствует 1, а если такого превьшения не бьщо для всех отсчетов, то - О . Уровень О или 1 с выхода первого блока 11 сравнения считывается и поступает на один из входов блока 13. Этим управляют импульсы с выхода н синхрогенератора 16. I

Аналогично первому блоку 11 сравнения работает второй блок 12 сравнения. На его первый вход подаются отсчеты исследуемого составного сигнала с выхода АЦП 1 при изменении п от О до N-1. На второй вход блока 12 с выхода с синхрогенератора 16

поступает код числа, соответствующе го уровню ПОРОГ-2, которое запоминается в регистре блока 12. При превышении этого уровня хотя бы одним

5 10 . 15 20 , 2530 . 35 4045

55

нормализованным по знаку отсчетом сигнала с выхода АЦП 1 на выходе блока 12 фиксируется 1, в противном случае - О. Уровень О или 1 с выхода второго блока 12 сравнения считьгоается и поступает на другой вход блока 13, что делается с помощью импульсов на выходе н синхрогенератора 16. Блок 13 представляет собой двухразрядньй сумматор. Одноразрядный двоичный код на каждом из его входов - это код соответствующего слагаемого.

На входы блока 13, выход которого является вторым выходом (Вых.2) устройства, поступают двоичные коды суммы одноразрядных чисел с выходов блоков 11 и 12. Этот код может далее использоваться для цифровой индикации отсутствия отраженных импульсов, а также информации об их структуре (одиночные это или групповые сигналы) в случае их наличия. Кроме того, с помощью ЦАП 14 цифровой код с выхода блока 13 преобразуется в аналоговое напряжение (или ток) с тремя уровнями градации, соответствующими О, 1 и 2. Это напряжение может быть записано на ленте блока 15 регистрации.

При этом ситуации отсутствия сигнала соответствуют коды О, О, 00 на выходах блоков 11-13 -соответственно и сигнал, равньй О, на выходе ЦАП 14. Ситуации присутствия одиночного сигнала соответствуют коды 0,1,01 на выходах блоков 11-13 соответственно и сигнал, равный 1, на выходе ЦАП 14. Ситуации присутствия групповых импульсов соответствуют коды 1,1,10 на выходах блоков 11-13 и сигнал, равный 2, на выходе ЦАП 14.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет повысить вероятность правильного распределения одиночных и групповых импульсных сигналов в случае наличия импульсов и разброса формы элементарных импульсов.

Формула изобретения

Устройство распознавания одиночных и групповых импульсных сигналов, содержащее аналого-цифровой преобразователь, выход которого соединен с сигнальным входом блока быстрого преобразования Фурье, первый и второй выходы которого соединены с первым

и вторым сигнальными входами, блока вычисления квадрата модуля коэффициентов дискретного преобразования Фурье, выход которого соединен с сиг нальным входом переключателя, первый выход которого соединен с сигнальным входом блока памяти, а второй - с первым сигнальным входом блока деления, второй сигнальный вход которого соединен с выходом блока памяти, а выход - с сигнальным входом вычисления и вычитания среднего, выход которого соединен с первым сигнальным входом блока умножения, второй сиг- нальный вход которого соединен с выходом генератора весовой, функции, а выход - с входом блока обратного бысрого преобразования Фурье, цифроанало говый преобразователь, выход которо- го соединен с входом блока регистра- ufiKf 4L синхрогенератор, первый выход которого соединен с управляющим входом аналого-цифрового преобразовател и первым управляющим входом блока быстрого преобразования Фурье, второй выход - с вторым управляющим входом блока быстрого преобразования Фурье, третий выход - с третьим управляющим входом блока быстрого преобразования Фурье и управляющим входом блока вычисления квадрата модуля коэффициентов дискретного преобразования Фурье, четвертый ВЫХОД - с первым управляющим входом блока памяти, пятый выход - с управляющим ходом переключателя, шестой вьпсод - с вторым управляющим входом блока памяти, управляющим входом блока де

uttnt/flecoll

в

nilinHi - HHilllil

tliliJ II

III

.J

III---IIIIM

s О 5 05

15

0

ления и первым управляющим входом блока вычисления и вычитания среднего, седьмой и восьмой выходы - с вторым и третьим управляющими входами блока вычисления и вычитания среднего, девятый выход - с четвертым управляклцим входом блока вычисления и вычитания среднего, с управляющими входами генератора весовой функции и блока .. умножения, и первым управляющим входом блока обратного быстрого преобразования Фурье, второй и третий управляющие входы которого соединены соответственно с десятым и одиннадцатым . выходами синхрогенератора, о т л и - ч а ю щ.е е с я тем, что, с целью повышения вероятности распознавания одиночных и групповых импульсных сигналов, в него введены первый и второй блоки сравнения и блок индикации одиночных и групповых импульсов, входы которого соединены с выходами блоков сравнения, а выход - с входом цифроаналогового преобразователя, причем сигнальный вход первого блока .сравнения соединен с выходом блока обратного быстрого преобразования Фурье, а первый управляющий вход - с двенадцатым выходом синхрогенератора, тринадцатый выход которого соединен с первым управлякяцим входом второго блока сравнения, а четырнадцатый выход синхрогенератора соединен с вторыми управляющими входами первого и второго блоков сравнения, сигнальный вход которого соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя.

И11(1ПП1---11(1И1Ш1

-f .J

t t

I

M/2 i- 1}иНП1/Л6СОд

Illll-JIIJJ

IMMI--HIIII

н

uHnymcDl

iiniinn iiiiniinti

+

Illtl llllll

I T.

lilliti llllll

i

J.

()ufmyattel

1ИИ Mill

J UHngatcol

db

jrrr

Составитель С.Лебедев Редактор Н.Швьщкая в.Кадар Корректор Е.Сирохман

Заказ 4119/44 Тираж 728Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

r

5ЛФ

Hllllllllll Illllllfiri

.

ll№

(Н11 1 инпуШв1

inni inin

Hlll.t

-fc/)

t t -t

msei-j

Изобретение относится к электроизмерительной технике. Может быть и с- пользовано для обработки локах онных или сейсмических сигналов. Цель изобретения - повышение вероятности распознавания одиночных и групповых импульсных сигналов. Для этого в устройство, содержащее аналого-цифровой преобразователь 1, блок 2 быстрого преобразования Фурье, блок 3 вычисления квадрата модуля коэффициентов дискретного .преобразования Фурье, . переключатель 4, блок 5 памяти, блок 6 деления, блок 7 вычисления и вычио Фт.г сл с: VI VJ СП