Способ обнаружения структуры оптических неоднородностей атмосферы Советский патент 1990 года по МПК G01W1/00 

Изобретение относится к измерению оптических характеристик неоднородных сред и может применяться для целей метеорологии, физики плазмы, оптики атмосферы и океана, лазерной локации в условиях замутненной среды.

Цель изобретения - повышение надежности выявления периодичности оптических неоднородностей среды по временной структуре сигнала обратного рассеяния в условиях воздействия щумов путем нелинейной фильтрации и анализа характера выделенной структуры неоднородностей в зависимости от растующего нелинейного порога амплитудной дискриминации.

Поставленная цель достигается тем, что из последовательности локальных максимумов отбрасываются те, для которых выполняется условие

(

С - значение сигнала в локальном минимуме между максимумами С и Ct;

АС ()а

сл х

00

а -

Со

коэффициент обеспечивающий вероятность (Р(,) соответствия рассчитанного перепада (АС) перепаду обусловленному флуктуациями са.мого сигнала;

средний уровень щумов, отнесенный к интервалу временной дискретизации сигнала.

находят в последовательности локальных минимумов пары, соседствующие с отброшенными максимумами и отбрасывают меньший минимум пары, формируют новые последовательности оставшихся локальных максимумов, минимумов, определяют наличие максимального, и минимального максимумов (СГакс, ), находят их положение в последовательности, отбрасывают все экстремумы перед CiTaKc и после С«, задают начальный уровень дискриминации локальных максимумов

C-4-Ct,.) /2

d (Cv

н --формируют новую модельную последователь- ность отсчетов (С„ 1, ), на ее-основе формируют распределение полученного числа интервалов между максимумами, минимумами определенной протяженности в зависимости от величины интервала, определяют величину, положение и число относительных максимумов (N) в полученном распределении, увеличивают уровень дискриминации на заданный шаг (Ado), повторяют действия по определению величины, положения и числа относительных максимумов, запоминают эти числа, определяют перепад уровней дискриминации, соответствующий переходу к числу относительных максимумов распределения менше на одно, по их максимальному числу (N) судят о числе характерных элементов структуры неоднороднос- тей по отношению выявленных перепадов уровней дискриминации к уровню фильтрации (С()+АС) судят о контрасте соответствующего элемента структуры относительно фоновых неоднородностей, по отношению соседних перепадов уровней судят об относительном контрасте элементов структуры неоднородностей.

На чертеже приведена блок-схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

Схема включает пульт 1 управления, импульсный- источник света (ОКГ) 2, фотоприемник 3, усилитель 4, накопитель 5, амплитудно-цифровой преобразователь (АЦП) 6, блоки памяти 7, 8, 17, блок 9 вычитания фона, блок 10 выделенных локальных экстремумов, блок И задания уровня дискриминации, блок 12 нелинейной фильтрации и дискриминации локальных максимумов, блок 13 формирования распределения числа интервалов от протяженности интервала, блок 14 выделения локальных максимумов распределения, блок 15 определения числа локальных максимумов распределения (типов интервалов), блок 16 соотнесения типа интервала уровню дискриминации, блок 18 определения максимального и минимального числа типов интервалов, вычислитель 19 параметров обнаруженной структуры. С пульта 1 в накопитель 5 заносят интервал времени измерений.

шаг дискретизации и число циклов, по которому проводят накопление приходящего сигнала. После этого с пульта 1 подают команду на излучение импульса света источником 2. Одновременно подают команду на

усилитель 4 для усиления приходящего сигнала пропорционально квадрату текущего времени, начиная с момента излучения импульса. Кроме того, с пульта 1 задают число шагов дискретизации, запоминаемое в

0 блоке 7, и последовательность предварительно заданных команд обработки сигнала. Приходящий сигнал с фотоприемника 3 поступает на усилитель 4 и после усиления накапливается в блоке 5, за требуемый интервал времени по заданному числу измерений, с заданным щагом дискретизации. В блоке 6 (АЦП) он преобразуется в цифровую форму и запоминается в блоке 8. Причем в блоке 8 запоминаются как фоновые отсчеты, полученные в цикле предваритель0 ных измерений (при отключении источника излучения 2), так и сигнальные отсчеты полученные в рабочих циклах измерений. В блоке 9 производится вычитание уровня фона соотнесенного к щагу дискретизации сигнала (по данным из блока 7) из полу5 ценных значений сигнала. Полученные рабочие значения сигнала обратного рассеяния рабочая последовательность вновь запоминаются в блоке 8.

После завершения измерений по команде с пульта 1 в блоке 10 производится сравнение отсчетов сигнала по три и в случае, если для них выполняются условия или , отсчет 2 принимается за локальный максимум (минимум) и его положение (номер) запоминается отдельно для максимумов и минимумов. После этого отсчеты сигнала и номера локальных экстремумов с блоков 8 и 10 поступают на блок 11. В зависимости от выставленного уровня фильтрации (Со), выдаваемого пультом I, здесь происходит фильтрация локальных максимумов, когда значения большие АС сохраняются. Если в результате фильтрации отфильтровывается локальный максимум, то из двух соседствующих минимумов за действительный принимается наибольший, т. е. в блоке 11 производится дополнительная операция (схемой сравнения и выбора). Кроме того, из выявленных локальных максимумов здесь выделяется наибольший и наименьший (Смаке и ) и определяется их номер в последовательности экстремумов. Эти номера соответственно принимаются за первый и последний, делается вывод о возможности анализа структуры и задается начальный уровень амплитудной дискриминации, который запоминается в блоке 11 и выделяется только по команде с пуль55 та 1. В отсутствие этой команды на блок 12 поступает команда на фильтрацию выбросов сигнала, обусловленных средой от выбросов сигнала, обусловленных его природой, на ос0

5

0

5

50

новании данных об уровне шумов (Со), поступающих из блока 8 памяти. На выходе блока 12 фильтрации имеем набор локальных максимумов, минимумов, разделенных определенными интервалами, число которых меньше их исходного числа (без дискриминации). В блоке 13 происходит сортировка этих максимумов и минимумов в две независимые последовательности, генерация нормированной последовательности, отбор интервалов между импульсами нормированной 10 амплитуды (-f 1 или -1) их сортировка по величине и суммирование числа интервалов определенной протяженности. В результате по команде с пульта 1 получаем на выходе блока 13 распределение числа интервалов в зависимости от протяженности интервала («спектр интервалов). Следующий этап анализа - анализ зависимости спектра интервалов от уровня дискретизации. Исходный спектр и отфильтрованный сигнал - в

число этих интервалов равно отношению протяженности всего анализируемого участка на протяженность такого интервала. Если есть еще периодические компоненты структуры (последующие ее элементы), то с ростом картина прореживания экстремумов сигнала и появления интервалов все большей протяженности повторяется. В случае отсутствия локальных экстремумов блок 12 работает как обычный ограничитель по амплитуде.

Следующий этап - анализ динамики спектра интервалов структуры неоднород- ностей сигнала в зависимости от выставляемого порога дискриминации. Он предусматривает выделение интервалов опреде- ленной протяженности преобладающих по частоте их встречи, т. е. поиск относительных максимумов в распределении числа интервалов в зависимости от его величины. Распределение интервалов («спектр интервалов) формируется блоком 13 на осноблоке 12. С пульта 1 и блока И на входы 20 ве полученных после фильтрации, дискрими- блока 12 поступают команды на выставлениенации и нормировки данных. В блоке 14

уровня дискриминации, который растет от цикла к циклу анализа с заданным шагом (Ado).

В соответствии с заданным уровнем дискриминации из отфильтрованной последова- тельности локальных максимумов, поступающей с блока 13, начинают исключаться локальные максимумы и минимумы определенных интервалов, начиная с минимальноанализируется это распределение на предмет выявления относительных максимумов по методике поиска локальных максимумов блоком 10. Данные о величине положения каждого относительного максимума поступают на блок 15, где число относительных максимумов суммируется и запоминается. Эти данные поступают на вход блока 16 одновременно с набором взятых уровней дисго интервала. Причем с ростом уровня d из Q криминации от начальною до текущего (с

последовательности локальных интервалов сначала исчезает экстремум, расположенный у глобального максимума (), затем такой же следующий и т. д. пока не исчезнет экстремум у глобального максимума (). Происходит прореживание локальных экстремумов сигнала, граница которого перемещается Б направлении - . Причем

блока 11). Здесь сравнивается номер уровня и номер интервала и в случае их совпадения в блоке 17 запоминается пара значений: уровень дискриминации и интервал выявленного типа.

35

Рост уровня дискриминации при периодичности структуры неоднородностей приводит к росту числа типов интервалов и их последующему уменьщению до одиночного. Текущее число типов интервалов для опредеРост уровня дискриминации при периодичности структуры неоднородностей приводит к росту числа типов интервалов и их последующему уменьщению до одиночного. Текущее число типов интервалов для опредеисчезновение локальных экстремумов идет с определенным интервалом (последовательно) и уменьшение их числа на одно соответствует определенному приращению уров- 40 ленного уровня d с блока 15 и пары значе- ня дискриминации Ad. После фильтрации оп-ний уровень - дискриминации - интервал

ределенного типа локальных экстремумов, соответствующих существованию начального

выявленного типа с блока 17 поступают на входы блока 18 и запоминаются. Число типов интервалов сравнивается с предшествующим числом для меньшего уровня дисэлемента периодической структуры, существенный рост уровня дискриминации (Ad

выявленного типа с блока 17 поступают на входы блока 18 и запоминаются. Число типов интервалов сравнивается с предшествующим числом для меньшего уровня ) не приводит к изменению об- 5 криминации. При его неизменности или росщеи картины в последовательности следования локальных экстремумов. С некоторого значения d опять начинается селекция экстремумов и их прореживание. Это вызывает появление нового типа интервалов между оставшимися экстремумами, число которых растет с ростом уровня дискриминации. Причем, как и в начальной последовательности, уменьшение локального экстремума на один соответствует приращению Ad, т. е. к

50

те с блока 18 подается команда на блок 1 1 о выставлении следующего уровня дискриминации и повторении цикла анализа. Прн уменьшении типов интервалов до одного в блоке 18 определяется наибольшее число типов интервалов и запоминается. Одновременно анализируются пары уровень дискриминации - интервал выявленного типа для всего диапазона уровней дискриминации и определяются перепады уровней А при изте с блока 18 подается команда на блок 1 1 о выставлении следующего уровня дискриминации и повторении цикла анализа. Прн уменьшении типов интервалов до одного в блоке 18 определяется наибольшее число типов интервалов и запоминается. Одновременно анализируются пары уровень дискриминации - интервал выявленного типа для всего диапазона уровней дискриминации и определяются перепады уровней А при изпоявлению еще одного интервала нового 55 менении числа типов интервалов на единицу.

типа. С ростом d число этих интерваловЭти данные поступают на вычислитель l

одновременно с данными блока 17 и по максимальному числу типов интервалов устарастет. Они появляются последовательно в направлении . . Максимальное

0

число этих интервалов равно отношению протяженности всего анализируемого участка на протяженность такого интервала. Если есть еще периодические компоненты структуры (последующие ее элементы), то с ростом картина прореживания экстремумов сигнала и появления интервалов все большей протяженности повторяется. В случае отсутствия локальных экстремумов блок 12 работает как обычный ограничитель по амплитуде.

Следующий этап - анализ динамики спектра интервалов структуры неоднород- ностей сигнала в зависимости от выставляемого порога дискриминации. Он предусматривает выделение интервалов опреде- ленной протяженности преобладающих по частоте их встречи, т. е. поиск относительных максимумов в распределении числа интервалов в зависимости от его величины. Распределение интервалов («спектр интервалов) формируется блоком 13 на осно0 ве полученных после фильтрации, дискрими- нации и нормировки данных. В блоке 14

анализируется это распределение на предмет выявления относительных максимумов по методике поиска локальных максимумов блоком 10. Данные о величине положения каждого относительного максимума поступают на блок 15, где число относительных максимумов суммируется и запоминается. Эти данные поступают на вход блока 16 одновременно с набором взятых уровней дискриминации от начальною до текущего (с

криминации от начальною до текущего (с

блока 11). Здесь сравнивается номер уровня и номер интервала и в случае их совпадения в блоке 17 запоминается пара значений: уровень дискриминации и интервал выявленного типа.

Рост уровня дискриминации при периодичности структуры неоднородностей приводит к росту числа типов интервалов и их последующему уменьщению до одиночного. Текущее число типов интервалов для определенного уровня d с блока 15 и пары значе- ний уровень - дискриминации - интервал

ленного уровня d с блока 15 и пары значе- ний уровень - дискриминации - интервал

выявленного типа с блока 17 поступают на входы блока 18 и запоминаются. Число типов интервалов сравнивается с предшествующим числом для меньшего уровня дискриминации. При его неизменности или роскриминации. При его неизменности или рос

те с блока 18 подается команда на блок 1 1 о выставлении следующего уровня дискриминации и повторении цикла анализа. Прн уменьшении типов интервалов до одного в блоке 18 определяется наибольшее число типов интервалов и запоминается. Одновременно анализируются пары уровень дискриминации - интервал выявленного типа для всего диапазона уровней дискриминации и пределяются перепады уровней А при изменении числа типов интервалов на единицу.

навливается число элементов периодичности структуры неоднородностей.

Каждому элементу структуры соотносится перепад уровней дискриминации А„. Из перепадов вычитается предварительно запоминаемый уровень, соответствующий фону, и полученные значения (А-А„) являются характеристикой контрастности элементов структуры относительно фоновых неоднородностей. Здесь же вычисляются отношения полученных перепадов (А-Ai)/(A-Аг), которые принимаются за характеристики относительного контраста элементов структур ы неоднородностей.

Формула изобретения

Способ обнаружения структуры оптических неоднородностей атмосферы путем посылки импульсов света малой длительности по набору трасс зондирования, приема и преобразования фотоприемником рассеянного в обратном направлении света в электрические сигналы, регистрации дискретных значений приходящего сигнала, их накопления и усиления пропорционально квадрату текущего времени, разбиения последовательности отсчетов сигнала на участки двух типов, ограниченные парами локальных максимумов и минимумов соответственно, формирования модельной последовательности отсчетов путем соотнесения нормированной ам- плитудь, равной единице, значениям локальных максимумов, отрицательного значения нормированной амплитуды, равной единице, значениям локальных минимумов и ис- ключ ения промежуточных сигналов, определения по модельной последовательности интервалов между локальными максимумами, минимумами, максимумами и минимумами и определения по средним величинам этих интервалов для всего набора трасс зондирования, характерных размеров неоднородностей, а по среднеквадратичным отклонениям устойчивости структуры неоднородностей, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности, измеряют величины сигналов фона, нормируют их на интервал времени дискретизации и исключают из дискретных

отсчетов приходящих сигналов, фильтруют последовательность отсчетов сигналов путем последовательного исключения локальных максимумов, не превышающих порога, меньших из каждых двух локальных минимумов, соседствующих с исключенными максимумами, и всех экстремумов перед наибольшим и после наименьщего максимумов, задают начальный уровень дискриминации локальных максимумов, последовательно уве0 личивая уровень дискриминации, формируют ряд последовательностей отсчетов сигналов и ряд соответствующих модельных последовательностей, для каждой из которых формируют распределение числа интервалов межДУ минимумами, максимумами от величины интервалов, а в полученных распределениях определяют величину, положение и число относительных максимумов, определяют перепады уровней дискриминации, соответствующие переходу к числу относительных

0 максимумов меньще на одно, причем порог фильтрации, определяют по формуле

cH- .

Vrf

где минимально допустимая величина

локального максимума; С - значение сигнала в локальном минимуме между максимумами каждой пары;

Со - средний уровень шумов, нормиро- 0ванный на интервале дискретизации сигнала;

а - коэффициент, обеспечивающий требуемую вероятность соответствия максимума перепаду, обусловленному флуктуациями самого сиг5 3а начальный уровень дискриминации определяют по формуле

н г- , C-+Ct.,) / d (Смин ),

где d - уровень дискриминации;

Сини - значение наименьшего из неотфильтрованных локальных максимумов;

значение соответствующего локального минимума.

5

Изобретение относится к измерению оптических характеристик неоднородных сред и позволяет повысить надежность обнаружения элементов периодичности и структуре неоднородностей. В атмосферу посылают импульсы света малой длительности, регистрируют сигналы обратного рассеяния, усиливают их пропорционально квадрату текущего времени, компенсируют влияние фоновой засветки. Последовательность отсчетов фильтруют, исключая локальные максимумы, не превышающие порогового значения, которое зависит от значения принятого сигнала и уровня шумов. Исключают так же наименьшие локальные минимумы, соседствующие с исключенными максимумами и экстремумами перед наибольшим и после наименьшего максимумов. Задают начальный уровень дискриминации. Последовательно увеличивая уровень, дискриминируют последовательность отсчетов. Для каждого уровня дискриминации формируют распределение числа интервалов между экстремумами от величины интервалов. Характерные размеры неоднородностей, устойчивость, число и контраст элементов структуры неоднородностей определяют, анализируя зависимость распределений от уровня дискриминации. 1 ил.