Цифровой анализатор

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИН Г САНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯК АРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР АМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ ОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ ТХ 1 ) 3280955/18-09(56) 1. Чайлдерс Д. и др. Кепстр и его применение при обработке данных. ТИИЭР, т. 65, 1977, В 10, с. 5-23, рис1.2. Авторское свидетельство СССР Р 834585 кл. О 01 В 23/16, 1979 (прототип).(54)(57) ЦИФРОВОЙ АНАЛИЗАТОР содержащий последовательно соединенные блок быстрого преобразования Фурье и блок вычисления квадрата модуля дискретного преобразования Фурье (ДПФ), оперативное запоминающее устройство, блок деления, блоквычитания среднего и последовательно соединенные генератор весовойфункции, блок умножения и блок об"ратного быстрого преобразованияФурье, о т л и ч а ю щ и й с ятем,что, с целью повьыенил точности измерения взаимных временных сдщтов,введен переключатель, информацион-ный вход которого соединен с выходом блока вычисления квадрата модуля ДПФ, первый выход - с входомзаписи оперативного запоминающегоустройства, второй выход - с первым входом. блока деления, второйвход которого подключен к выходусчитывания оперативного эапомина.кщего устройства, а выход черезблок вычитания среднего - к дру.гому входу блока умножения.1 О 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 обработке составных сигналов, сформиро. 65 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 первый блок быстрого преобразования Фурье (БПФ), блок комплексного логарифмирования, первый блок обратного БПФ (ОБПФ), лифтр, второй блок БПФ, блок комплексного потен цирования, второй блок ОБПФ (1 .Однако для обработки радиолокационных сигналов, занимающих конечную полосу частот, в пределах которой отношение сигнал-шум больше 1, такая система непригодна из-за существенного. увеличения уров. ня шумов за пределами полосы частот, занимаемой сигналом, после комплексного логарифмирования. 25 Кроме того, эта система является, сложной в реализации из-за необходимости обработки комплексной спектральной функции.Наиболее близким к предлагаемому является цифровой анализатор, ко. торый содержит последовательно сое.диненные первый блок БНФ, блок вычисления квадрата модуля дискретного преобразования Фурье (ДПФ), первый блок ограничения снизу, блок логарифмирования, основное оперативное запоминающее устройство (ФЗУ), вспомогательное ОЗУ, логический блок сравнения, вычитатель, первый блок умножения, первый блок ОБПФ, блок 40 лифтра длинных частот, второй блок БПФ, блок деления, генератор весовой функции, блок ограничения сверху, блок потенцирования, блок вычитания среднего, последовательно соеди ненные генератор весовой функции, второй блок умножения и второй блок ОБПФ, а также третий блок умножения, второй блок ограничения снизу. Такое устройство позволяет обрабаты вать радиолокационные сигналы, эанимакдцие конечную полосу частот, и более просто в реализации по сравнению с кепстральной системой, использующей комплексную спектральную функ 55 цию 2ванных 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. Ероме того, необходимо использование блоковлогарифмирования и потенцирования, достаточно сложных в реализации.Цель изобретения - повышение точности измерения взаимных временных сдвигов.Поставленная цель достигается тем, что цифровой анализатор, содержащий последовательно соединенные блбк быстрого преобразования Фурье и блок вычисления квадрата модуля дискретного преобразования Фурье (ДПФ), оперативное запоминающее устройство, блок. деления, блок вычитания среднего и последовательно соединенные генератор весовой функции, блок умножения и блок обратного быстрого преобразования Фурье, введен переключатель, информационный вход которого соединен с выходом блока вычисления квадрата модуля, первый выход - с входом записи оперативного запоминающего устрбйства, второй выход - а первым входом блока деления, второй вход которого подключен к выходу считывания бперативного запоминающего устройства, а выход через блок вычитания среднего - к другому вхо ду блокаумножения,На фиг, 1 представлена структурная электрическая схема цифрового анализатора; на фиг. 2 - структурная электрическая схема блока вычитания среднего; 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, блок 2 быстрого преобразования Фурье (БПФ), блок 3 вычисления квадрата модуля ДПФ, переключатель 4 оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 5, блок б 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 вычита" ния среднего (фиг.2) содержит накапливающий сумматор 13, регистр 14 сдвига, выходной регистр 15, опера тивное запоминающее устройство (ОЗУ) 16, вычитатель 17. Блок 3 вычисления квадрата модуля ДПФ (фиг.3) со1 О 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 4,(,цЯ , Сигнал с одним отражением получается в случае, согда 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 4( 11 где Ъ - постоянный коэфИ )фициент. Если затем в процессе измерения правую часть 2 разделить на эту функцию, то получим чисто вещественную четносимметричную атно сительнои=О спектральную Функцию)у 1:,: - лЯасоьяла )р)1 ъй,(и) 1ЫОбратное преобразование Фурье ,от я(ы) на оси врем ни дает три8 -импульса: один положительныйЬа при 1=0 с амплитудой -р и два одинаковых, симметрично расположенных относительно с =О в точках ".1 ла 2 с амплитудой р ВеличинаЬ в (3) является средним значением. Если эту величину определить путем усреднения (3), по сл), а затем вычесть из исходного выражения его среднее значение, то после обратного преобразования Фурье будем иметь только два импульса,+л расположенных в точках +относительно 1=0,Измерив временной интервал между этими импульсами, равный 2 ь, можно, гораздо точнее, чем это можно было по сигналу 5(с), определитьтолщину слоя земного покрова, приведшего к формированию сигнала 5(с).С помощью схемы автоматической регулировки усиления в приемнике достаточно просто обеспечить придержит умножители 18 и 19, сумматор 20.Основой для построения и принципа действия инверсного фильтра является следующее.Сигнал на входе приемника радиолокационной станции подповерхностного зондирования, сформированныйв результате отражения от слоев вземном покрове с хорошо отражающими границами раздела, можнопредставить в виде суммы отраженийот каждой из границ раздела. Еслиэто, например, лед, то первым отражением будет сигнал, отраженныйгарницей раздела воздух - лед, 15а вторым, запаздывающим относительнопервого, является сигнал, отраженный от границы раздела лед - вода, Для тонкого малосоленого льдатолщиной до 40 - 50 см оба отра" 2 Ожения имеют примерно одинаковуюформу, близкую к Форме зондирующего сигнала, и в общем случаеразную амплитуду. Известно, чтосуществующие методы подповерхностной радиолокации не позволяют измерять толщину льда менее 50 смвследствие невозможности разрешитьв принимаемом сигнале отраженияот первой (воздух - лед) и второй30(лед - вода) границ раздела, Нелучшие результаты получаются и вслучае других Природных слоистыхсред. Устройство позволяет благодаря дополнительной обработке35увеличить разрешающую способность. радиолокационных станций подповерхностного зондирования.Пусть отраженный сигнал 5(с), прошедший приемник и преобразованныйнапример, с помощью стробоскопи Оческой обработки, в область видеоили даже звуковых частот имеет дваотражения 5 (1) и 5 (С), и эаписывгется в виде45бЬ 1 =,ИлЬ,И,где 5 а(с) = а 5,(-7), ( - взаимныйсдвиг, а - относительная амплитуда,а в общем случае может быть большеили меньше нуля, а модуль /а - больше или меньше единицы.Если спектральную Функцию первого е,отражения" 51(с) записать как5 (,(4 егде с - круговая 55частота; с - задержка 51(с)относи"тельноЬО,):+7,то спектральнаяфункция второго "отражения" будетф д(Л Лсоответственно равной а Б 46. 6Таким образом, для составного сигнала 5(с) получим спектральнуюфункцйю 5(ь) в видеЙа):5(ые)(илае ) 1 (О Из (1) нетрудно получить квадрат модуля 5(Я)1 1 )(,ьасоы" а) (р) Из (2) следует, что взаимную задержку с можно измерить с высокой точностью, если в (2) исключить множитель блИ) . Это можномерное равенство(Ь "- 0 Поэтомув дальнейшем полагаемся=1,На практике получить 8 -импульсы не удается из-за наличия шумови отличий в форме образца элемен-,тарного колебания и отражений в составном,сигнале. В области, где шумыпо мощности соизмеримы или преобладают над квадратом модуля спектральной 1 функции образца, операция деления в левой части (3) невыполнима на тех частотах, где модульспектральной функции образца равеннулю, или же 4 я будет иметь оченьбольшие случайные по величине выбросы на тех частотах, где числитель , 15левой части (3) много больше знаменателя. Для Уменьшения влияния шумов целесообразно применение частотных"окон", за пределами которых 1(а)="Окномц выделяется та часть А(40), . 2(где модули спектральных функцийотражений и образца близки друг. кдругу и отношение сигнал/шум по мощности для сигнала и образца больше 1.При видоимпульсном зондированииспектральные функции Й (сд) и бМ сосредоточены в полосе со средней частотойЯ=О. Эту полосу можно выделить прямоугольным окном, определитьв пределах окна среднее значение,вычесть его из Аа) и результат умножить на весовую функцию, преобразование Фурье которой имеет малый уровень боковых лепестков принебольшом расширении главного лепестка относительно преобразования Фурьепрямоугольного окна, Наиболее частоупотребляются весовые функции Жнна,Хзмминга, Блэкмана и др. ОграничениеА (ы) "окном" и взвешивание в пределах "окна" приводят к уменьшению 40амплитуды и расширению о -импульсов.Устройство работает следующимобразом.В соответствии с изложенным выше введены два режима работы. В первом подготовительном режиме происходцт запись в блок ОЗУ 5 отсчетовквадрата модуля ДПФ образца элементарного колебания. Во втором основ"ном режиме производится обработкасоставного сигнала, полученного врезультате зондирования слоистыхземных покровов. Переход от одногорежима к другому обеспечиваетсяпереключателем 4 и блоком 12. Он 55может осуществляться как автоматически, так и вручную. Для управления переключателем 4, с целью перехода из одного режима в другой, изблока 12 подаются импульсы (не пока- щзаны) .В течение времени обработки образца блок 12 управдения подключает вход переключаетеля 4 к его первому выходу, При этом происхоДит65 запись в ячейки ОЗУ 5 отсчетов квадрата модуля ДПФ образца. Эти отсчетыформируются следующим образом. Изаналогового сигнала образца, поступающего на вход аналого-циФровогопреобразователя 1, в соответствиис теоремой Котельникова с частотойне менее чем в 2 раза большей верхней частоты в спектре обрабатываемых сигналов, берутся выборки, амплитуда которых преобразуется вдвоичный код и подается на вход блока 2 БПФ. Частота взятия выборокопределяется периодом Т повторения тактовых импульсов, поступающих на вход управления аналого-цифрового преобразователя 1 с первоговыхода блока 12 управления (фиг.4 а).Эти импульсы управляют записьюцифровых выборок во входной регистрблока 2 БПФ. В течение интервалаопределения сигнала берется М выборок, где М соответствует размеруДПФ и для алгоритма БПФ являетсястепенью 2. Началом выполнения БПФуправляют импульсы (фиг,46), которые поступают с второго выхода блока 12 управления на второй вход блока 2 БПФ после записи в его входнойрегистр Б-ой цифровой выборки. После выполнения ДПФ оказываются записанными в два выходных регистраблока 2 БПФ - регистр вещественнойчасти ДПФ и регистр мнимой частиДПФ, Так для действительных сигналов коэффициенты ДПФ попарно комплексно сопряжены, т,е. имеют оди.наковую величину квадрата модулядля й-го и (Ю-К)-го коэффициентов,где Х"-1,2,3,М/2-1, то после выполнения БПФ необходимо обрабатыватьне более, чем (О/2+1)данных. С другой стороны, часть из оставшихся(В/.2+1) коэффициентов ДПФ, имеющихнебольшую величину модуля, являются искаженными шумами и их за пределами "окна" следует заменить нулевыми отсчетами. Если предположить, что обрабатываются видеоимпульсные сигналы, то в пределах,"окна"шириной в М отсчетов должны бытькоэффициенты ДПФ с номерами О 41(М)/2 и (И-. (М)/2)сйс(Я),если М - нечетное число и М(И)или с номерами ОФйМ/2и (0-М/2) Г 6(Н), еслиМ - четное число и М а й. Поичемкоэффициенты ДПФ, соответствующие краям окна, делятся на 2.Таким образом, учитывая симметрию,необходимо обрабатывать всего(М+1 )/2коэффициентов ДПФ в случае М нечетного или 4/2+1)коэффициентов вслучае М четного, Ниже полагаем Мчетным числом,С выходных регистров блока 2 БПФсчитывается пара отсчетов, соответстнующая мнимой и вещестненнойчасти каждого коэффициента ДПФ дляномеров 1 от 0 до М/2, которая поступает на два входа (Ке и 3 ) блока 3 вычисления квадрата модуля ДПФ. Считыванием из блока 2 БПФ и процессом вычисления в блоке 3 нычисления квадрата модуля ДПФ упранляют импульсы с третьего выхода блока 12 управления (фиг.4 в), которые 10 имеют нид пакета из (М/2+1) импульсов. Период следования импульсов(Фиг. 4,в) определяется временемвычисления квадрата модуля одного коэффициента ДПФ, Отсчеты квадрата 15 модуля ДПФ далее с выхода блока 3вычисления квадрата модуля ДПФчерез переключатель 4 поступают навход записи ОЗУ 5 и в его ячейкахзапоминаются на все время работыустройства во 2-ом режиме. Дляуправления записью на первый вход 20 управления ОЗУ 5 подаются импульсы с четвертого выхода блока 12 управления (фиг,4,г). Эти импульсы сдвинуты относительно импульсов (фиг,4 в)на один период повторения так,чтобы каждый из импульсов (фиг.4,г)поступал на первый вход управленияОЗУ 5 во время, когда на выходеблока 3 нычисления квадрата модуляДПФ появляется двоичный код очередного отсчета квадрата модуля ДПФ.Во нтором режиме вход переключателя 4 соединяется с его вторым выходом, к которому подключен вход делимого блока б деленияНа выход делителя блока б деления однонременно с отсчетами квадрата модуля ДПФ исследуемого составного сигнала, поступающими со фнто 35 ца, которые были записаны в первомрежиме. Считыванием их ОЗУ 5 и процессом деления н блоке б деленияуправляет последовательность имП 7 льсов с пятого выхода блокауправления (фиг, 4,г). Результатделения (частное) с выхода блока бделения поступает на вход блока 7вычитания среднего. В этом блоке 7производится запоминание отсчетовв пределах 1/2 окнами("окно"- четное) для 1 от 0 до М/ 2, накопление 45 50 этих отсчетов и, учитывая свойствочетности, определяется сумма отсчетов результата деления для все 55 го "окнаф при 0 асМйий-М 2)йсй-(, затем вычисляется среднее значение делением суммы на число отсчетов, равное М, и, наконец, полученное 60 среднее значение вычитается из поступивших отсчетов частного, Всемиэтими операциями управляют импульсы (фиг. 4 д,е). Вычитание среднего 65 рого выхода переключателя 4 с выхо да считывания ОЗУ 5 подаются отсчеты квадрата модуля ДПФ образзначения (фиг. 2) в пределах "окнами исключает на выходе устройства импульс, соответствующий 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.4 е) . С выхода блока 7 вычитания среднего отсчеты поступают на один из входов блока 8 умножения, на другой вход которого подаются отсчеты несовой 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 Й=О и 1=И/2 (когда М=И), производится сразу в две ячейки с номерами й и Н-й. Для М/2 сйс(М-М/2), т.е. за пределами окнаф, в ячейки этого регистра записываются нули, Началом выполнения ОБПФ управляют импульсы блока 12 управления (фиг.4 ж), которые поступают на второй вход управления блока 10 ОБПФ после записи но все его Н ячеек соответствующих от счетов, Результат выполнения ОБПФ в силу четности входимых данных является чисто действительным. Отсчеты выходных данных блока 10 ОБПФ считываются импульсами (фиг,4, з) из блока 12 управления 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 устройство визуальной индикации и измерения.В блокеФ 7 вычитания среднего (фиг. 2) регистр 14 сдвига предназначен для сдвига двоичного кода, записанного в регистр числа, на 1 разряд в сторону старшего, что соответствует умножению этого числа на 2, и преобразования кода, если число оказывается отрицательным. Умножение на 2 выполняется только длн отсчетов с й 1,2,М/2, а если М=Н, то для Й=1,2 (И/ 2-1), Отсчеты с номерами К=О Г=Ь/2 поступают в накапливающий сумматор 13 без сдвига, испытывая только1057872 10 60 ИХ преобразование кода, если это необходимо. Регистр 14 сдвига обеспечивает деление накопленной в накапливающем сумматоре 13 суммы начиСло отсчетов квадрата модуля ДПФв йределах "окна", равное М . В томже накапливающем сумматоре 13 кодрезультата деления запоминается ввыходном регистре 15, ОЗУ 16 пред"назначен для запоминания М/2+1 отсчетов с номерами от 0 до М/2, поступающих на его вход записи с вы"хода блока 6 деления, Это запоминание осуществляется на вермя работы накапливающего сумматора 13.ЙЬиитатель 17 предназначен для вычитания среднего значения, хранящегося в выходном регистре 15. Длязаписи чисел врегистр 14 сдвигаи ОЗУ 16 в блок 7 вычитания среднего подаются импульсы (фиг,4,е)Импульсы ( фиг. 4,е ) используются для считывания чисел изОЗУ 16 и с выходного регистра 15.Импульсы (фиг.4,д) управляют считыванием суммы из накапливающегосумматора 13 и началом деления ввыходном регистре 15.Блок 7 вычитания среднего работает следующим образом,Отсчеты с выхода блока 6 деленияпоступают на вход записи ОЗУ 16и запоминаются в его ячейках в со. ответствии с их номерами от Й=О доЙ=М/2 Одновременно каждый отсчетзаписывается в регистр 14 сдвига,сдвигается на один разряд и переписывается в накапливающий сумматор 13где суммируется с предыдущими отсчетами, После поступления последнего отсчета с 0=И/2 накопленная внакапливающем сумматоре 13 суммасЧитывается и подается в выходнойреГистр 15. На тактовый вход выходного регистра подается код числа М(импульсы Фиг.4,и)из блока 12 управления, После выполнения деленияначинается считывание отсчетов, записанных в, ячейки ОЗУ 16. Одновременно считывается код частного свыходного регистра 15. Оба кодаподаются в вычитатель 17 для вычитания из первого числа второго.Код частного при считывании нестирается, Двоичный код разностиподается на вход блока 8 умножения. В состав блока 3 вычисления квадрата модуля ДПФ (фиг.3) входятумножители 18 и 19 и сумматор 20.На оба входа каждого умножителя18 и 19 подается код одного и тогоже числа, поэтомуна выходе получается код квадрата этого числа.Числа с выходных регистроввещественной (Вв) и мнимой (Ъ) частей блока 1 БПФ на входыи Зщумножителей 18 и 19 поступают одновременно. После умножения производится сложение квадратов чисел всумматоре 20. Код суммы с выхода сумматора 20 поступает на входпереключателя 4.15 Таким образом, предлагаемое устройство позволяет увеличить разрешающую способность иточность РЛСподповерхностного зондирования,уменьшив нижнюю границу диайазона (3 измеряемых толщин льда до 25-35 смпо сравнению с 50 см при отсутствииобработки в зависимости от отношения сигнал/шум; 25 см при отношенииболее 40 дБ и 35 см при отношении р 5 сигнал/шум более 14 дБ, При этомточность измерения малых толщин нехуже 50-60 с плавным ее увеличением до 5-10 при толщинах более60-75 см (предполагалось, что границе разрешения в смысле Рэлея всигнале обработки беэ шумов соответствует толщина 45 см), Прототипобеспечивает близкие результатыпри отношениях сигнал/шум больших40 дБ и становится практически неработоспособным при отношениисигнал/шум меньшем 20 дБ, тогдакак предлагаемое изобретение позволяет измерять сдвиг импульсовдаже приотношении сигнал/шум, 4 равном 0 дБ, если правильно выбрана ширина. частотного окна, Правда,при таком отношении сигнал/шумточность выше 50 обеспечиваетсядля толщин более 50 см. Предлагаемое изобретение по сравнению спрототипом при отношениях сигнал/.шум больших 40 дБ обеспечиваетлучшие разрешение и точность измерения не хуже, чем в 1,2-1,3 раза,а при меньших значениях отношенияточность, обеспечиваемая прототипомрезко ухудшается, а предлагаемое изобретение сохраняет достаточно высокую эффективность вплотьдо 5-10 дБ.1057872 дат м Составитель Т, Техред Т. Мато сьева Редактор М, Тк Корректор Г. Решетннк каз 9580/ илиал ППП Патент , г. Ужгород, ул. Проектная Тираж 710 ВНИИПИ Государст по делам .изобр 3035, Москва, Ж Подписноенного комитета СССРтений и открытий5, Раушская наб., д, 4/