Устройство распознавания одиночных и групповых составных импульсных сигналов

(51) 4 С 01 К 23/1 ВСЕСОЮ 354%Т 1."(й,:;,яРЪЯВОТЕКА ОПИСАНИЕ ИЗОбРЕТЕН ОСУДАРСТВЕННЬЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЬ(ТИЙ ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(71) Рижский Краснознаменный институт инженеров гражданской авиации им.Ленинского комсомола и Ордена Ленина арктический и антарктический научноисследовательский институт Госкомгидромета(56) Чайдлерс Д. и др. Кепстри его применение при обработке данных. ТИИЭР, т. 65, У 10, 1977,с. 523.Авторское свидетельство СССР Иф 1057872, кл. С 01 К 23/16, 1983.(54) УСТРОЙСТВО РАСПОЗНАВАНИЯ ОДИНОЧНЫХ И ГРУППОВЫХ ИИПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ (57) Изобретение относится к электроиэмерительной технике. Иожет быть использовано для обработки локацйонных или сейсмических сигналов. Цель изобретения - повьпиение 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 вычи- й1247775 10 15 20 25 30 35 тания среднего, блок 8 умножения,генератор 9 весовой функции, блок 10обратного быстрого преобразованияФурье, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 14, блок 15 регистрации,синхрогенератор 16, введены первый,второй 11, 12 блоки сравнения, блок13 индикации одиночных и групповыхимпульсов. Ситуации отсутствия сигнала соответствуют коды О, О, 00 навыходах блоков 11-13 соответственнои сигнал, равный.О, на выходах ЦАП14. Присутствию одиночного сигнала 1Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для обработки локационных или сейсмических сигналов.Пель 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.3 - то же, в 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), первый 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 О., 1, 01 на выходах блоков 11-13 соответственно исигнал, равный 1, на выходе ЦАП 14.Присутствие групповых импульсов отразит код 1, 1, 10 на выходах блоков 11-13 и сигнал "2" на выходе ЦАП14. Устройство позволяет повыситьвероятность правильного распределения одиночных и групповых им -пульсных сигналов в случаеналичия импульсов и разбросаформы элементарных импульсов3 ил. которого соединен с сигнальным входом блока 5 памяти, а второй - с первым сигнальным входом блока 6 деления, второй сигнальный вход которогосоединен 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 ЦАП 14 соединен с входом блока 15 регистрации. Первый выход синхрогенератора 16 соединен с управляющим входом АЦП 1 и первым управляющим входом блока 2 БПФ. Второй выход соединен с вторым управляющимвходом блока 2 БПФ, третий выход с третьим управляющим входом блока2 БПФ и управляющим входом блока 3вычисления квадрата модуля ДПФ. Четвертый выход синхрогенератора 16 соединен с первым управляющим входом блока 5 памяти. Пятый выход соединенс управляющим входом переключателя,4, шестой выход - с вторым управляющим входом блока 5 памяти, управляющим входом блока 6 деления и первымуправляющим входом блока 7 вычисления и вычитания среднего. Седьмойвыход синхрогенератора 16 соединен свторым управляющим входом, а восьмойс третьим управляющим входом блока 7 вычисления и вычитания среднего, де1247775 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 первым управляющим входом блока 10 ОБПФ, второй и. третий управляющие входы которого соединены с десятым и одиннадцатым выходами синхрогенератора 16. Входы блока 13 индикации одиночных 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. 30Сигнал 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 сигналаотраженного средой с числом 40 контрастных границ раздела две и больше, включая переотражения, даже в том случае, 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 БИ) на выходе линейного приемника, т.е. на входе АЦП 1 (фиг.1), содержит два отраженных импульса Б,(е) и Б (й) имеет вид Б (1 д ) е где и - круговая частота1У- задержка Б(С) относительно 10 начала временного окна илиинтервала наблюдения, длякоторого е=О,то спектральная функция второго отражения Б(С) соответственно равна 15(ы) еь)Й+ 1Таким образом, спектральная функция составного сигнала Б(й) имеетвид20 тогда Б(е) =Б(Е)+Б И),55 где БгЫ=аБ(-), - взаимный сдвиг импульсов Ба И) и Б (а.(аО и а 1( 1),Если спектральную функцию первого импульса Б 4(й) записать как Б(сд)=Б (63)е" " (1+ае " ), (1) 1 Б (,д)г -Б г ц) 1 г (1+2 а. сов ,) +аг ) (2) Отсюда следует, что временную задержкуможно измерить с высокой точностью, применив обратное преобразо"вание Фурье, если в уравнении (2) исключить множитель 1 Б (Я)1 г. Это можно сделать, имея априорную информацию о множителе, Для случая зондирования слоистых сред или "точечных 11объектов такая информация может бытьполучена из .сигнала с одним отражением илн даже используя зондирующийсигнал в случае активной локации.Сигнал с одним отражением может бытьполучен от одиночной контрастной границы раздела в слоистой среде (например, воздух - вода) или при отражении .от одиночного "точечного" объекта. Этот сигнал можно использоватьв качестве образца или эталона элементарного колебания для вычисленияи запоминания функции ЪБ(У)1 г,где Ъ - коэффициент, учитывающийвзаимный разброс по амплитуде наибо, льшего элементарного импульса в отражен.ном исследуемом сигнале и образцово-го импульса. Если затем в процессеобработки правую часть уравнения (2)разделить на эту функцию, то можнополучить вещественную четную спектральную функциюОбратное преобразование Фурье .отА(а) на оси времени дает три импульса: один положительный при Т=О с амплитудой (1+а) /1 Ь 1 и два одинаковых, симметрично расположенных относительно =0 в точках =+1 с амплитудой а/Ь 1 . Величина (1+аф)/1 Ъв уравнении (3) является средним значением, Если эту величину определить 1 Опутем усреднения выражений (3) по ы,а затем вычесть ее из исходного выражения, то после обратного преобразования Фурье останется только два импульса в точках С= + ь . Временной интервал между этими импульсами можноизмерить с высокой точностью путемфиксации положения максимумов абсолютных значений.Кроме того, если 7 =О, то сигнал 208 - это фактически одиночный элементарный импульс (1+а)Б(О, Приэтом А(и)=сопзС=(1+а) / Ь 1 и вычи тание среднего значения из АОд) (такжеравного (1+а)/Ь 12) приводит к нуле вому уровню сигнала после обратногопреобразования Фурье.С помощью схемы автоматическойрегулировки усиления в приемнике можно обеспечить примерное равенство 301 Ы содам. Поэтому в дальнейшем можно считать 1 Ь 1=1,Устройство работает следующим образом.Назначение, принцип действия и З 5связи между преобразователем 1, блоками 2,3,6-8,10, генератором 9 полностью соответствуют таким же блокамизвестного устройства. Эта часть устройства может использоваться для измеренияпо выходному сигналу блока10 путем фиксации положения двух наибольших по абсолютному значению равновеликих пиков по обе стороны отточки п=О или одного наибольшего пика 45на половине интервала определенияот п=О до п=И/2, где Ю - размер ДПФ.Для распознавания одиночных и групповых импульсных сигналов, а также фиксации наличия или отсутствия сигнала 50на входе блока 1 АЦП и записи всейэтой текущей информации служат блоки11-13, 15, преобразователь 14.Устройство работает в двух режимах. В первом, подготовительном, режиме происходит запись в блок 5 памяти отсчетов квадрата модуля ДПФ образца элементарного колебания. Во втором, основном, режиме выполняется обработка отраженного сигнала. Переход от одного режима к другому обеспечивается переключателем 4. Этотпереход может осуществляться как автоматичееки, так и вручную.Управление переключателем 4 осуществляется синхрогенератором 16(выход "д"). Во втором режиме может выполняться измерение сдвига ь между двумя наибольшими по абсолютному значению импульсами на выходе блока 10, чему соответствует измерение сдвига между двумя наибольшими по амплитуде элементарными импульсами 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, всоответствии 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, 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 Я выборок, причем для алгоритма БПФ, как правило, Я является степенью 2. Началом выполнения БПФ управляют импульсы, поступающие с выхода "б" синхрогенератора 16 на второй вход управления блока 2 БПФ после записи в его входной регистр Н-й цифровой выборки сигнала. С выходных регистров блока 2 БПФ считывается пара отсчетов, соответствующих мнимой и вещественной части каждого коэффициента ДПФ в пределах полонины частотного окна, Использование для дальнейшей обработки только половины коэбфициентов ДПФ из числа попадающих в частотное окно с нормированными частотами Г от 0 до М/2, где М -. Г - число, определяющее ширину частотногоокна (если оценивать числом коэффициентов ДПФ, то ширина при МИ равна Г 1+1), объясняется тем, что коэффициенты ДПФ вещественного сигналаимеют четкую симметрию модуля относительно К=О или К=И/2 в зависимостиот выбора интервала определения дляГ: -Ы/2, И/2 или О,Е. Пара данныхдля каждого коэффициента ДПФ используется для вычисления квадрата модуля ДПФ в блоке 3. Эта пара данныхпоступает на два входа. блока 3. Считывание каждой пары с выходных регистров блока 2 БПФ и управлениепроцессом вычисления квадрата модуля 20ДПФ осуществляют импульсы, поступающие с выхода "в" синхрогенератора16. Отсчеты квадрата модуля ДПФ далее с выхода блока 3 через переключатель 4 поступают на вход записиблока 5 памяти и в его ячейках запо,минаются на все время работы устрой. -ства во втором режиме. Для управления записью на первый вход управления блока 5 подаются импульсы с вы- З 0хода "г" синхрогенератора 16,Во втором режиме работы вход переключателя 4 соединяется с его вторымвыходом, к которому подключен входделимого блока 6 деления. На входделителя блока 6 деления одновременно с отсчетами квадрата модуля ДПФисследуемого составного сигнала, поступающими с второго выхода переключателя 4, с выхода считывания блока 405 памяти подаются отсчеты квадратамодуля ДПФ образца с тем же значением нормированной частоты Г, которыебыли записаны в первом режиме. Считыванием их из блока 5 памяти и процессом деления в блоке 6 управляетпоследовательность импульсов с выхо-.да "е" синхрогенератора 16. Результат деления с выхода блока 6 деленияпоступает на вход блока 7 вычисленияи вычитания среднего. В блоке 7 производится запоминание отсчетов с нормированными частотами й от 0 до М/2,которым управляют те же импульсы свыхода "е" синхрогенератора 16, исложение этих отсчетов методом накопления с учетом симметрии модуля ДПФдля получения суммы отсчетов частного в пределах всего частотного окна,Затем вычисляется среднее значениеделением суммы на число отсчетов,равное М+1, и полученное среднеезначение вычитается из поступившихотсчетов частного. Этими операциямиуправляют импульсы с выходов "ж","з", "и" синхрогенератора 16, из которых импульсы с выхода "ж" предназначены для считывания накопленнойсуммы и запуска схемы деления наМ+1, с выхода "з" - это импульсы двоичного-числа М+1, а с выхода "и" используются для вычитания среднегоиз отсчетов частного и подачи отсчетов разности на выход блока 7. Этиотсчеты далее поступают на один извходов блока 8 умножения, на другойвход которого подаются отсчеты весовой функции, формируемые генератором 9 весовой функции. С выхода блока 8 умножения отсчеты произведенияпоступают на вход блока 10 ОБПФ и .там запоминаются во входном регистре. Работой блока 8, генератора 9и записью во входной регистр блока10 также управляют импульсы с выхода"и" синхрогенератора 16. Во входномрегистре блока 10 ОБПФ формируютсяисходный для ОБПФ массив. Записькаждого отсчета с выхода блока 8 всилу четной симметрии последних, кроме Г=О и Г=Г 1/2 (при И=И), производится сразу в две ячейки, Для интервала определения по ГО,И это - пара ячеек, соответствующих нормированным частотам К и И-Г. Для М/2 ((ГХ-И/2), т.е, за пределами частотного окна, в ячейки этого регистразаписываются нули, Началом выполнения ОБПФ управляют импульсы, поступающие с выхода "к" синхрогенератора 16, которые начинают подаватьсяна второй вход управления блока 10после записи во все И ячеек входного регистра соответствующих отсчетов.Результат выполнения ОБПФ в силу четности входных данных является чистодействительным и также четным относительно п=Б/2, если использоватьинтервал определения О,Г 1. Отсчетывыходных данных блока 10 ОБПФ считываются импульсами, поступающими сфвыхода "л" синхрогенератора 16 и подаются на первый выход (Вых.1) устройства в двоичном коде и на первыйвход первого блока 11 сравнения. С35 Аналогично первому блоку 11 сравнения работает второй блок 12 сравнения. На его первый вход подаются50 отсчеты исследуемого составного сигнала с выхода АЦП 1 при изменении и от 0 до 0-1. На второй вход блока 12 с выхода "с" синхрогенератора 16 поступает код числа, соответствующего уровню ПОРОГ, которое запоминается в регистре блока 12. При превышении этого уровня хотя бы одним Вых.1 двоичный код используется для измерения и регистрации взаимного временного сдвига.В первом блоке 11 сравнения отсчеты, поступающие на первый вход с выхода блока 10 ОБПФ, нормализуются по знаку путем присвоения всем им положительного знака и из каждого нормализованного таким образом отсчета 1 О вычитается число, соответствующее заданному пороговому значению ПОРОГ. Код этого числа поступает в виде последовательности импульсов с выхода "м" синхрогенератора 16 на второй 15 вход блока 11 сравнения и здесь запоминается. По знаку разности фиксируется превьппение порогового уровня ПОРОГ. Так, например, если знаку + в знаковом разряде разности 20ч 11 11 соответствует уровень логиче скои 1 знаку "-" - уровень логического "0 " , то после выполнения операции сравнения с пороговым уровнем половины отсчетов с и о т 0 до Ю/ 2 (в силу чет ности этого достаточно) , поступающих с выхода блока 1 О ОБПФ в знаковом разряде разности , фиксируется хотя бы одна " 1 " , если было хотя бы одно превьппение уровня ПОРОГ . Е с- ЗО ли такого превышения не было , то для всех о тсчетов с выхода блока 1 О в1111 знаковом разряде разности будет 0 Уровень "0" или "1" в знаковом разряде фиксируется, запоминается и поступает на выход блока 11 сравнения, При этом, если было хотя бы одно превьппейие отсчетом с. выхода блока 10 уровня ПОРОГ, то на выходе блока 11 присутствует "1", а если 40 такого превьппения не было для всех отсчетов, то - "0". Уровень "0" или "1" с выхода первого блока 11 сравнения считывается и поступает на один из входов блока 13Этим управляют 45 импульсы с выхода "н" синхрогенератора 16.нормализованным по знаку отсчетом сигнала с выхода АЦП 1 на выходе блока 12 фиксируется "1", в противном случае - "0"Уровень "0" или "1" с выхода второго блока 12 сравнения считывается и поступает на другой вход блока 13, что делается с помощью импульсов на выходе "н" синхрогенератора 16. Блок 13 представляет собой двухразрядный 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 кодысуммы одноразрядных чисел с выходов блоков 11 и 12. Этот код может далее использоваться для цифровой инв дикации 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, равный 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 изобретенияУстройство 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(ИЬ В) цвуякс 3 Ъю и вторым сигнальными входами. блокавычисления квадрата модуля коэффици 1 1ентов дискретного преобразованияФурье, выход которого соединен с сигнальным входом переключателя, первыйвыход которого соединен с сигнальнымвходом блока памяти, а второй - спервым сигнальным входом блока деления, второй сигнальный вход которого 10соединен с выходом блока памяти, авыход - с сигнальным входом вычисления и вычитания среднего, выход которого соединен с первым сигнальнымвходом блока умножения, второй сигнальный вход которого соединен с выходом генератора весовой. функции, авыход - с входом блока обратного быстрого преобразования Фурье, цифроаналоговый преобразователь, выход которого соединен с входом блока регистрации, и синхрогенератор, первый выходкоторого соединен с управляющим входом аналого-цифрового преобразователяи первым управляющим входом блокабыстрого преобразования Фурье, второй выход - с вторым управляющимвходом блока быстрого преобразования Фурье, третий выход - с третьимуправляющим входом блока быстрого ЗОпреобразования Фурье и управляющимвходом блока вычисления квадрата модуля коэффициентов дискретного преобразования фурье, четвертый выходс первым управляющим входом блока З 5вамяти, пятый выход - с управляющимвходом переключателя, шестой выход -е вторым управляющим входом блокапамяти, управляющим входом блока деления и первым управляющим входомблока вычисления и вычитания среднего,седьмой и восьмой выходы - с вторыми третьим управляюшими входами блокавычисления и вычитания среднего, девятый выход - с четвертым управляющимвходом блока вычисления и вычитаниясреднего, 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 цельюповышения вероятности распознаванияодиночных и групповых импульсных сигналов, в него введены первый и второй блоки сравнения и блок индикацииодиночных и групповых импульсов, входы которого соединены с выходами блоков сравнения, а выход - с входомцифроаналогового преобразователя,причем сигнальный вход первого блокасравнения соединен с выходом блокаобратного быстрого преобразованияФурье, а первый управляющий вход -с двенадцатым выходом синхрогенератора, тринадцатый выход которого соединен с первым управляющим входомвторого блока сравнения, а четырнадцатый выход синхрогенератора соединен с вторыми управляющими входамипервого и второго блоков сравнения,сигнальный вход которого соединен свыходом аналого-цифрового преобразователя.1247775 чу льсд Составитель С.ЛебедевПодписн СР 1130 Фводственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектна Тираж 728 НИИПИ Государственногпо делам изобретени , Москва, Ж-З 5, Рауш комитетаи открытий кая наб.,