СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ИМПУЛЬСА ОТ ЦЕЛИ И ИЗМЕРЕНИЯ ЕГО ПАМЕТРОВ
METHOD FOR DETECTION OF TARGET PULSE AND MEASUREMENT OF ITS PARAMETERS

Изобретение относится к методам обработки электрических сигналов, позволяющих обнаруживать и измерять импульсы от точечных объектов со сканирующих оптико-электронных устройств, таких как оптическая головка самонаведения (ОГС) с импульсной модуляцией сигнала от цели.
В сканирующих оптико-электронных устройствах, электрический сигнал от точечной цели на выходе фотоприемника имеет гауссовидную форму. В ОГС с приемником в виде полоски длительность импульса зависит от места нахождения изображения цели в фокальной плоскости оптической системы [1]. Например, в атмосферном окне прозрачности 3…5 мкм цели имеют положительный контраст относительно окружающего фона (температура цели выше температуры фона). Предлагаемый способ предназначен для обнаружения и измерения сигналов от точечных источников излучения с известным знаком контраста по отношению к окружающему фону со сканирующих оптико-электронных устройств.
Способы и устройства измерения одиночных и повторяющихся импульсных сигналов приведены в [2]. Их назначение - измерение сигналов практически при отсутствии шума.
Известны способы обнаружения сигналов [3] в радиолокации, оценивающие мощность шума в полосе полезного сигнала за счет оценки шума в других временных интервалах, чем анализируемый на наличие сигнала временной интервал. Их недостатки - сложность и необходимость достаточно большого количества элементов разрешения, что затруднительно выполнить применительно к сигналам с фотоприемника ОГС.
Известен способ обнаружения сигналов, реализованный в устройстве обнаружения с автоматической подстройкой порога [4], который предназначен для обнаружения излучающих источников сканирующей инфракрасной системой. В указанном устройстве осуществляется фильтрация постоянной составляющей сигнала режекторным фильтром, а затем пространственным фильтром 3×3. Как известно, например, из [5] стр.72, пространственные фильтры осуществляют пространственное дискретное дифференцирование и подавление низкочастотных составляющих входного сигнала. Для установки и подстройки порога обнаружения усредняют величину сигналов с соседних элементов разрешения. Дополнительно, в выходном буфере фильтра находят максимальное отрицательное значение сигнала (Find Most Negative Signal). После усреднения этого отрицательного сигнала фильтром с управляемой постоянной времени, зависящей от средней величины сигнала с ячеек пространственного фильтра, полученное значение используют для корректировки порога. Так как объекты, которые необходимо обнаружить, малоразмерные и имеют положительный контраст относительно фона, то после дифференцирующего фильтра, отрицательная полуволна сигнала имеет меньшую величину, чем положительная полуволна импульса. Порог вычисляется с использованием двух постоянных параметров и сигнала с усредняющего устройства. Авторы указанного патента утверждают, что отношение максимальной положительной полуволны импульса к максимальной отрицательной для полезного сигнала после фильтра составляет 4:1, а для «гауссовского», «не-гауссовского» шума и шума от краев облаков составляет 1:1, что и позволяет успешно использовать отрицательные значения сигнала для коррекции порога. Недостатком данного способа при применении его для обработки сигнала с ОГС, имеющей фотоприемник в виде полоски, является практическая сложность создания такого пространственного фильтра.
Известно устройство для обнаружения импульсов, в котором реализован способ, наиболее близкий к заявленному способу в соответствии с патентом США №4318047 от 02 февраля 1982 г., G01R 29/02, G01S 3/78 (прототип) [6]. Устройство используется для обнаружения импульсов с оптической или инфракрасной сканирующей системы. Полезные импульсы (импульсы от цели) имеют известный знак контраста над фоном. Импульсы поступают на устройство после фильтра низких частот с известной полосой пропускания. В устройстве обнаружения ширина полосы пропускания фильтра низких частот используется для выбора длительностей импульсов, формируемых одновибраторами, с помощью которых отбираются импульсы с заданной длительностью после первого дифференцирования. Положительные и отрицательные импульсы после первого дифференцирующего устройства поступают на пороговые устройства, т.е. производится фильтрация импульсов, уменьшается уровень низкочастотных составляющих сигнала и оценивается их уровень. Пороговый уровень устанавливается для обеспечения заданного уровня ложных тревог (средства для определения этого порога не приводятся). Импульсы после второго дифференцирования подаются на компаратор с нулевым порогом. С помощью одновибраторов и схем «И» проверяется симметрия принятого импульса. Таким образом, осуществляется обнаружение импульса по его величине, длительности и форме. В устройстве над импульсом производят следующие действия, с учетом того, что он имеет положительный контраст с фоном:
- фильтруют импульс фильтром низких частот (удаляют высокие частоты), удаляют постоянную составляющую и уменьшают уровень низких частот первым дифференцированием;
- после первого дифференцирования используют чередование знаков полуволн, чтобы для импульса от источника с положительным контрастом первой шла отрицательная полуволна, затем положительная;
- оценивают величину отрицательной полуволны и положительной полуволны продифференцированного сигнала сравнением полуволн с порогом;
- оценивают длительность импульса, что он короче заданной величины по времени между моментами времени, когда превышается пороговый уровень для отрицательной и положительной полуволн однократно дифференцированного импульса и длительности отрицательной полуволны импульса после второго дифференцирования;
- проверяют симметричность импульса, попаданием обнаруженного импульса по превышению порога положительной полуволны в интервал времени отрицательного значения сигнала после второго дифференцирования. Недостатками данного способа обнаружения являются;
- отсутствие надежного обнаружения сигнала при изменении уровня шума;
- невозможность обнаружения импульсов в широком диапазоне значений их длительности;
- отсутствие числовой оценки текущих величин сигнала, длительности импульса и уровня шума;
- недостаточная фильтрация низкочастотного шума (только однократное дифференцирование и дополнительное второе дифференцирование для проверки по дополнительному параметру).
В прототипе для принятия решения об обнаружении импульса используют сигналы после фильтрации фильтром низких частот и последующей фильтрацией дифференцирующими фильтрами первого и второго порядка. Фильтр второго порядка образован последовательным включением двух фильтров первого порядка. Из осциллограмм, показанных на фиг.2 [6], следует, что применяют чистое дифференцирование входного сигнала после фильтра низких частот. К.Ланцош в [7] стр.330 рекомендует для дифференцирования экспериментальных данных использовать интегрирование для сглаживания данных, чтобы получить большую точность. При применении дифференцирующих фильтров с конечной импульсной характеристикой (ДФ КИХ) одновременно достигается сглаживание сигнала.
Целью настоящего изобретения является обнаружение электрических импульсов от точечных объектов с известным контрастом относительно фона со сканирующего оптико-электронного устройства при неизвестном уровне шума, в широком диапазоне длительности импульсов, а также получение числовой оценки параметров импульса цели, уровня шума и улучшение низкочастотной фильтрации входного сигнала.
Поставленная цель достигается тем, что после фильтрации сигнала фильтром с дифференцирующими свойствами измеряют величину положительных и отрицательных полуволн импульса и соотношение величин упомянутых полуволн импульса на соседних по времени интервалах, определяемых по текущему знаку импульса, а затем по величине соотношения величин данных полуволн импульса и порядку их следования друг за другом отбирают импульсы, которые с высокой вероятностью могут быть отнесены к шумовым импульсам и импульсы, которые могут быть отнесены к импульсам от цели, усредняют модуль величины отобранных шумовых импульсов, используют это усредненное значение модуля для задания порогового уровня и принимают решение об обнаружении импульса от цели, если величина этого импульса превышает упомянутый пороговый уровень.
Числовую оценку уровня шума в способе делают усреднением модуля величин шумовых импульсов с частотой обнаружения шумовых импульсов.
i
i
Числовую оценку величин полуволн в способе осуществляют суммированием дискретных выборок модуля величин текущего значения полуволны ∑x, где x - очередная выборка значения полуволны соответствующего импульса.
<mrow><mi>Σ</mi><msub><mi>x</mi><mi>i</mi></msub><msup><mrow /><mn>2</mn></msup></mrow>
<mrow><mi>F</mi><mo>=</mo><mi>Σ</mi><msub><mi>x</mi><mi>i</mi></msub><msup><mrow /><mn>2</mn></msup><mo>/</mo><mo stretchy="false">(</mo><mi>Σ</mi><msub><mi>x</mi><mi>i</mi></msub><msup><mrow /><mn>2</mn></msup><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
i
Для оценки длительности обнаруженного импульса в способе используют эквивалентную частоту импульса. Для этого определяют сумму квадратов дискретных выборок
текущего значения импульса, вычисляют квадрат суммы ∑x импульса и вычисляют эквивалентную частоту целевого импульса
, сравнивают ее с диапазоном возможных значений эквивалентных частот импульса от цели и принимают решение о более достоверном обнаружении импульса от цели.
Улучшение низкочастотной фильтрации входного сигнала достигается за счет того, что в способе при обнаружении импульса может использоваться сигнал после двух- и даже трехкратного дифференцирования с использованием ДФ КИХ.
Сравнение известных технических решений с заявляемым способом позволило сделать вывод о наличии новизны.
Сущность изобретения и его выполнение поясняются функциональными схемами обработки данных и осциллограммами сигналов, представленными на фиг.1-5.
На фиг.1 показаны сигналы, которые наблюдаются на выходе дифференцирующих фильтров разного порядка и которые обрабатываются в прототипе и в предлагаемом способе (модельный эксперимент). Приведено 2 кадра обзора пространства сканирующей системой ОГС. На графике 1 показан вид импульсов на выходе фотоприемника. На графике 2 вид электрического сигнала после первого ДФ КИХ. На графике 3 вид электрического сигнала после второго ДФ КИХ. На графике 4 вид электрического сигнала после третьего ДФ КИХ. В прототипе рассмотрено обнаружение импульса 5 с использованием его однократного дифференцирования 6 и его двукратного дифференцирования 7.
Первичные сигналы от цели 5 фиг.1 с фотоприемника ОГС имеют вид гауссоиды, как и в прототипе.
На фиг.2 и 3 представлен пример функциональной схемы устройства, в котором осуществляются действия в соответствии с предлагаемым способом. В данном устройстве производится обнаружение и измерение параметров импульсного сигнала с ОГС при применении для фильтрации сигнала дифференцирующего фильтра второго порядка. Сигнал от целевых импульсов 5 на фиг.1 в этом случае на входе устройства имеет форму 6.
На фиг.4 приведены осциллограммы сигналов на выходе основных узлов устройства, вызванных шумом при применении дифференцирующего фильтра второго порядка.
На фиг.5 приведены осциллограммы на выходе основных узлов устройства, при наличии импульса от цели и при применении дифференцирующего фильтра второго порядка.
Полезный сигнал от цели в ОГС по форме после фотоприемника подобен импульсу 2а Фиг.2 в прототипе [6] и отличается более широким диапазоном возможных значений длительности. Для отбора шумовых импульсов в способе используется соотношение величин положительных и отрицательных полуволн принятого импульса и порядок их следования во времени. Для ОГС, работающей в окне прозрачности атмосферы 3-5 мкм цели и ложные тепловые цели (ЛТЦ) имеют положительный контраст (горячие источники). Цели на больших дальностях можно представить в виде точки. Длительность импульсного сигнала от цели будет определяться, в основном, разрешением оптики, размерами анализатора (размерами чувствительного слоя фотоприемника в фокальной плоскости), положением изображения цели в фокальной плоскости и характером движения анализатора, которым производится сканирование поля обзора. В прототипе, обнаруживаемые импульсы называют гауссовскими (Gaussian pulses). В схемах импульсной модуляции ОГС используют вытянутые в одном направлении чувствительные площадки фотоприемников, что позволяет оценить положение изображения источника в фокальной плоскости объектива. Для снижения влияния фоновых объектов, которые не являются точечными, применяются электрические фильтры, которые осуществляют дифференцирование до третьего порядка [5] (стр.27, при этом требуется спад 60 дб на декаду для «обеления» фона). Этими факторами определяется ожидаемая форма импульса от цели и наиболее вероятные соотношения между величинами полуволи разной полярности данного импульса на соседних по времени интервалах, определяемых по текущему знаку импульса.
Из одного импульса известной полярности с фотоприемника ОГС (импульс 5 на фиг.1) после дифференцирующего фильтра, в зависимости от его порядка, возникают несколько полуволн импульса сигнала. Например, при однократном дифференцировании возникает одна положительная и одна отрицательная полуволна от точечного источника (импульс 6 на фиг.1). Для источника, имеющего положительный контраст над фоном, зададим для однозначности, что на выходе дифференцирующего фильтра первым идет положительная максимальная полуволна, затем отрицательная. При отрицательном контрасте объекта формируется импульс 8 с фотоприемника и получаемый импульс 9 после первого дифференцирующего фильтра. В этом случае, идет сначала отрицательная полуволна М импульса, потом положительная полуволна П импульса.
Измеряются соотношения величин указанных полуволн импульсов на соседних по времени интервалах, определяемых по текущему знаку сигнала. Используя эти соотношения, согласно предлагаемому изобретению, отбирают полуволны импульсов шума для определения порогового уровня и импульсы, которые могут быть отнесены к сигналу от цели. Сравнивая измеренные величины полуволн импульса со сформированным порогом и оценивая измеренные дополнительные параметры, возможные для сигнала от цели, принимают решение об обнаружении сигнала от цели и использовании его измеренных параметров.
На осциллограмме 3 фиг.1 показана форма импульсов от источников разного контраста над фоном после второго дифференцирующего фильтра с конечной импульсной характеристикой (ДФ КИХ), а на осциллограмме 4 фиг.1 - после третьего ДФ КИХ. При положительном контрасте источника над фоном после второго ДФ КИХ и после третьего ДФ КИХ импульс будет иметь соответственно форму 7 и 10, при отрицательном контрасте - соответственно форму 11 и 12. Соотношение величин полуволн импульсного сигнала от цели без шума на соседних временных интервалах, согласно фиг.1, определяемых по текущему знаку сигнала, для точечного объекта с положительным контрастом приближенно можно представить как:
- -0+1-1+0 для импульса после первого дифференцирования;
- +0-1+2-1+0 для импульса после второго дифференцирования;
- +0-1+3-3+1-0 для импульса после третьего дифференцирования.
К шумовым сигналам можно отнести импульсы, для которых не выполняются приведенные соотношения между положительными и отрицательными полуволнами импульса на соседних по времени интервалах, определяемых по текущему знаку сигнала. Такими импульсами могут быть импульсы 9, 11, 12 фиг.1. В шумовом сигнале после дифференцирующих фильтров имеются импульсы как от объектов с положительным контрастом, так и от объектов с отрицательным контрастом. В предлагаемом способе отбирают импульсы, непохожие на импульсы от цели, и используют их величины после усреднения в качестве порогового уровня для обнаружения импульсов от цели.
В предлагаемом способе, основным условием для отбора шумовых импульсов при любом порядке дифференцирующего фильтра, используется условие: - на усредняющий фильтр порога не должен отбираться импульс, или часть импульса, которая может принадлежать цели и ложной тепловой цели (ЛТЦ).
Последовательность операций заявляемого способа такова:
1) фильтрация сигнала со сканирующего оптико-электронного устройства фильтром с дифференцирующими свойствами (ДФ КИХ);
2) измерение величин положительных и отрицательных полуволн сигнала после фильтрации на соседних по времени интервалах, определяемых по текущему знаку сигнала;
3) отбор полуволн сигнала с использованием порядка их следования во времени и величине соотношения величин полуволн импульса в качестве шумовых импульсов, которые с высокой вероятностью не могут быть отнесены к импульсам от цели;
4) усреднение модулей величин отобранных шумовых импульсов и вычисление порогового уровня для импульсов от цели;
5) принятие решения об обнаружении импульса от цели и об измерении его параметров, если величина этого импульса превышает пороговый уровень;
В изобретении предлагается:
- производить усреднение модулей величин шумовых импульсов с частотой обнаружения данных импульсов. По результатам моделирования такое усреднение более эффективно, чем усреднение по времени, особенно при обнаружении импульсов при наличии ЛТЦ;
i
i
- осуществлять определение величины полуволн шумового импульса и импульса от цели суммированием дискретных выборок модуля величин текущего значения полуволны ∑x, где x - очередная выборка значения полуволны соответствующего импульса. По результатам моделирования и макетирования такое измерение легче осуществить, чем, например, измерение амплитуды полуволны и обладает лучшей точностью в условиях наличия в поле зрения нескольких точечных источников излучения (ЛТЦ, цель) и допускает более низкую частоту дискретизации при измерении;
<mrow><mi>Σ</mi><msub><mi>x</mi><mi>i</mi></msub><msup><mrow /><mn>2</mn></msup></mrow>
<mrow><mi>F</mi><mo>=</mo><mi>Σ</mi><msub><mi>x</mi><mi>i</mi></msub><msup><mrow /><mn>2</mn></msup><mo>/</mo><msup><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>Σ</mi><msub><mi>x</mi><mi>i</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mn>2</mn></msup></mrow>
2
i
- дополнительно определять суммы квадратов дискретных выборок текущего значения полуволн импульса от цели, квадрата суммы дискретных выборок (∑x) текущего значения полуволн импульса от цели, эквивалентную частоту F упомянутых импульсов по формуле
, сравнивать ее с диапазоном возможных значений эквивалентных частот импульса от цели для повышения вероятности обнаружении импульса от цели.
Приближенно наибольшую полуволну полезного импульса после фильтров можно представить в виде синусоиды на интервале 0-π, частотой f и амплитудой А. Найдем значение первого определенного интеграла на интервале от 0 до 1/(2f) [8]:
<mrow><msub><mi>S</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><mrow><msubsup><mo>∫</mo><mn>0</mn><mrow><mn>1</mn><mo>/</mo><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mi>f</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow></msubsup><mrow><mi>A</mi><mo>*</mo><mi>S</mi><mi>i</mi><mi>n</mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mi>π</mi><mi>f</mi><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mi>d</mi><mi>t</mi></mrow></mrow></mstyle><mo>=</mo><mo>−</mo><mi>A</mi><mo>/</mo><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mi>π</mi><mi>f</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>*</mo><mi>C</mi><mi>o</mi><mi>s</mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mi>π</mi><mi>f</mi><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><msub><mo>|</mo><mn>0</mn></msub><msup><mrow /><mrow><mn>1</mn><mo>/</mo><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mi>F</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow></msup><mo>=</mo><mi>A</mi><mo>/</mo><mo stretchy="false">(</mo><mi>π</mi><mi>f</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
,
и второго интеграла:
<mrow><msub><mi>S</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><mrow><msubsup><mo>∫</mo><mn>0</mn><mrow><mn>1</mn><mo>/</mo><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mi>f</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow></msubsup><mrow><msup><mi>A</mi><mn>2</mn></msup><mo>*</mo><mi>S</mi><mi>i</mi><msup><mi>n</mi><mn>2</mn></msup><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mi>π</mi><mi>f</mi><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mi>d</mi><mi>t</mi></mrow></mrow></mstyle><mo>=</mo><mo stretchy="false">(</mo><msup><mi>A</mi><mrow><mn>2</mn><mo>*</mo></mrow></msup><mi>t</mi><mo>/</mo><mn>2</mn><mo>-</mo><msup><mi>A</mi><mn>2</mn></msup><mo>*</mo><mi>S</mi><mi>i</mi><mi>n</mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo>*</mo><mn>2</mn><mi>π</mi><mi>f</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>/</mo><mo stretchy="false">(</mo><mn>8</mn><mi>π</mi><mi>f</mi><mo stretchy="false">)</mo><msub><mo>|</mo><mn>0</mn></msub><msup><mrow /><mrow><mn>1</mn><mo>/</mo><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mi>F</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow></msup><mo>=</mo><msup><mi>A</mi><mn>2</mn></msup><mo>/</mo><mo stretchy="false">(</mo><mn>4</mn><mi>f</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
.
2
1
i
1
2
<mrow><msub><mi>S</mi><mn>2</mn></msub><mo>/</mo><msub><mi>S</mi><mn>1</mn></msub><msup><mrow /><mn>2</mn></msup><mo>=</mo><msup><mi>π</mi><mn>2</mn></msup><mi>f</mi><mo>/</mo><mn>4</mn></mrow>
<mrow><mi>Σ</mi><msub><mi>x</mi><mi>i</mi></msub><msup><mrow /><mn>2</mn></msup></mrow>
<mrow><mi>F</mi><mo>=</mo><mi>Σ</mi><msub><mi>x</mi><mi>i</mi></msub><msup><mrow /><mn>2</mn></msup><mo>/</mo><msup><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>Σ</mi><msub><mi>x</mi><mi>i</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mn>2</mn></msup><mo>=</mo><mi>m</mi><mo>*</mo><mi>f</mi><mo>*</mo><msup><mi>π</mi><mn>2</mn></msup><mo>/</mo><mn>4</mn></mrow>
2
При делении S на квадрат S:
получили независимость этого отношения от амплитуды и пропорциональность его частоте синусоиды. В заявленном способе предлагается находить величины
и (Ex). Эти суммы являются приближенными значениями интегралов S и S и отличаются от них на постоянные множители m. Назовем отношение
, связанное с длительностью импульса, эквивалентной частотой импульсов от цели. Эквивалентная частота F импульсов от цели монотонно связана с расстоянием изображения точечного источника от центра вращения модулятора координатора ОГС и не зависит от амплитуды сигнала.
Для определения шумового порога, после усреднения, может использоваться (см. фиг.1):
1
1
- умноженная на коэффициент меньший единицы величина М отрицательной полуволны импульса 9, которая должна быть меньше величины положительной полуволны П и следует по времени за этой отрицательной полуволной (сигнал после фильтра однократного дифференцирования) М*к<П к<1. В этом случае отрицательная полуволна импульса 6 не будет приниматься за шумовую полуволну;
2
2
- величина п1 положительной полуволны импульса 11 (12), которая меньше величины следующего за ним отрицательной полуволны импульса 11 (12) (после фильтров двойного и тройного дифференцирования) М*к>п1, к<1;
3
- сумма и разность величин модулей отрицательного и следующего за ним положительного импульса при выполнении условия (|М|+|П|)*к<|(|М|-|П|)| для сигналов после фильтров однократного и трехкратного дифференцирования.
1
2
3
Коэффициенты к, к, к выбираются опытным путем по результатам моделирования и испытаний образцов устройств обнаружения.
На фиг.2 и 3 в качестве примера представлена структурная схема устройства, реализующего заявленный способ обнаружения импульсов от цели.
i
i
Параметры целевого импульса оцениваются по положительной полуволне сигнала. Оценка величины импульса делается по сумме дискретных выборок положительной полуволны ∑x, где x - очередная выборка значения положительной полуволны сигнала 7 фиг.1, осциллограмма 3. Оценка эквивалентной частоты импульса делается по положительной полуволне этого сигнала.
i
Уровень шума оценивается по усредненным значениям сумм дискретных выборок положительной полуволны импульса Ex, отбираемых из условия, что сумма дискретных выборок модуля отрицательной полуволны импульса, следующей по времени за этой положительной полуволной, больше, чем для положительной полуволны. Т.е. отбираются полуволны п1 по осциллограмме 3 фиг.1.
Устройство фиг.2 содержит аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 13. На вход 14 АЦП 13 подается сигнал вида, показанного на фиг.1, осциллограмма 2, после фильтрации и однократного дифференцирования аналоговым фильтром. Частота дискретизации входного сигнала и синхронизация работы узлов устройства задается генератором 15. Сигнал с АЦП 13 поступает на ДФ КИХ 16. Вид сигналов после ДФ КИХ 16 показан на осциллограмме 3 фиг.1.
<mrow><mi>Σ</mi><msub><mi>x</mi><mi>i</mi></msub><msup><mrow /><mn>2</mn></msup></mrow>
<mrow><mi>Σ</mi><msub><mi>x</mi><mi>i</mi></msub><msup><mrow /><mn>2</mn></msup></mrow>
i
i
С ДФ КИХ 16 сигнал поступает на компаратор 17 и на вход D накапливающего сумматора положительной полуволны импульса 18 и через умножитель 19 на постоянный коэффициент -1 на вход D накапливающего сумматора 20 отрицательной полуволны импульса. Кроме того, с ДФ КИХ 16 сигнал поступает через схему возведения в квадрат 21 на вход D накапливающего сумматора квадратов дискретных выборок текущего значения сигнала
22. Логические схемы «И» 23, 24 по фронтам импульсов генератора 15 и сигналу компаратора 17 обеспечивают суммирование дискретных выборок модуля величин текущего значения полуволны Ex, где x очередная выборка значения полуволны с выхода ДФ КИХ 16, выдавая разрешение на входы С соответствующих накапливающих регистров. Логический инвертор 25 обеспечивает суммирование в накапливающем сумматоре 20 дискретных выборок модуля величин текущего значения отрицательной полуволны сигнала. С помощью формирователей 26, 27 коротких импульсов по фронту сигнала компаратора, происходит обнуление накапливающих сумматоров по входам R перед началом нового измерения величин полуволн импульса. Возможное выполнение накапливающего сумматора показано на стр.151 [9], компаратора на стр.101, логических элементов на стр.65, формирователей коротких импульсов по фронту сигнала на стр.73. На выходе накапливающего сумматора 18 получаем величину положительной полуволны сигнала S+ (выход 28), на выходе накапливающего сумматора 20 величину отрицательной полуволны сигнала S- (выход 29), на выходе 30 накапливающего сумматора 22 величину суммы квадратов дискретных выборок положительной полуволны импульса
.
Таким образом, в данной части устройства выполняются следующие операции:
- фильтрация сигнала фильтром с дифференцирующими свойствами;
i
i
- измерение положительных и отрицательных полуволн импульса, суммированием, за время полуволны дискретных выборок модуля величин текущего значения импульса ∑x, где x очередная выборка значения импульса;
<mrow><mi>Σ</mi><msub><mi>x</mi><mi>i</mi></msub><msup><mrow /><mn>2</mn></msup></mrow>
- определение суммы квадратов дискретных выборок текущей полуволны импульса
.
- определение текущего значения знака импульса компаратором 17 (выход 31).
пор.
Параллельный регистр 32 с управлением по фронту (см. стр.142 [9]), компаратор 33, формирователь короткого импульса 34 по фронту компаратора 17, умножитель 35 на коэффициент меньше единицы и логический элемент «И» 36 служат для обнаружения положительной полуволны шума по условию: «Положительная полуволна сигнала меньше модуля следующей за ней отрицательной полуволны». Усредняющий фильтр 37 шумовых полуволн содержит регистры 38, 39 с управлением по фронту, сумматор 40 и два умножителя 41, 42 на постоянный коэффициент. Это цифровая цепь первого порядка [10] стр.35, каждая итерация в которой происходит по фронту со схемы «И» 36 фиг.3, т.е. с частотой обнаружения полуволн шума. Перед обнулением накапливающего сумматора 18, измеренное значение S+ положительной полуволны сигнала переписывается в регистр 32. При этом предыдущее значение положительной полуволны сигнала сравнивается с текущим значением отрицательной полуволны следующей за положительной полуволной. После окончания отрицательной полуволны сигнала по короткому импульсу с формирователя 34, при условии, что kS->S+ (k<1 коэффициент умножителя 35), величина положительной полуволны импульса с регистра 32 переписывается в усредняющий фильтр 37 и вычисляется новое усредненное значение порога. Усредняющий фильтр 37 содержит параллельный регистр 38 с управлением по фронту, в котором находится последнее полученное значение полуволны шумового импульса, параллельный регистр 39 с управлением по фронту, где находится предыдущее значение порога, сумматор 40 и умножитель 41 на коэффициент k1<1. С помощью умножителя 42 на постоянный коэффициент с коэффициентом К выставляется величина порога, обеспечивающая необходимую величину вероятности ложного обнаружения. Величина измеренного уровня шума выдается на выход 43 устройства.
Элементы устройства: вычислитель квадрата величины сигнала S+ на умножителе 44, делитель 45, образуют измеритель 46 эквивалентной частоты F импульсов от цели.
<mrow><mi>Σ</mi><msub><mi>x</mi><mi>i</mi></msub><msup><mrow /><mn>2</mn></msup></mrow>
<mrow><mi>F</mi><mo>=</mo><mi>Σ</mi><msub><mi>x</mi><mi>i</mi></msub><msup><mrow /><mn>2</mn></msup><mo>/</mo><msup><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>Σ</mi><msub><mi>x</mi><mi>i</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mn>2</mn></msup><mo>=</mo><mi>S</mi><msup><mo>+</mo><mrow><mo>^</mo><mn>2</mn></mrow></msup><mo>/</mo><msup><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>S</mi><mo>+</mo><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mn>2</mn></msup></mrow>
i
На первый вход делителя 45 поступает сигнал с накапливающего сумматора 22 фиг.2 вычисления суммы квадратов дискретных выборок текущего значения импульса
, на второй вход делителя 45 поступает сигнал с выхода вычислителя квадрата 44 величины сигнала S+. Вычисляется эквивалентная частота импульса
, которая с помощью компараторов 49, 50 сравнивается с диапазоном возможных значений эквивалентных частот импульса от цели, максимальным 49 и минимальным 50 значением эквивалентной частоты, поступающими на вторые входы компараторов. Сумма положительной полуволны S+=∑x с выхода накапливающего сумматора 18 фиг.2 сравнивается с помощью компаратора 51 с пороговым значением, поступающим на второй вход компаратора с усредняющего фильтра 37. Выходы компараторов 47, 48, 51 и выход формирователя 52 короткого импульса по фронту компаратора 17 фиг.2 соединены с входами логического элемента «И» 53, выход которого 54 образует выход обнаружителя сигнала цели. Выход логического элемента «И» 54 соединен с первыми входами умножителей 55 и 56. Второй вход умножителя 55 соединен с выходом накапливающего сумматора 18 фиг.2 величины положительной полуволны импульса. При обнаружении импульса цели на выходе умножителя 55 выдается числовой код «S», пропорциональный величине импульса от цели (выход 57).
Второй вход умножителя 56 соединен с выходом делителя 45 измерителя 46 эквивалентной частоты импульса. При обнаружении импульса цели на выходе умножителя 56 выдается числовой код, пропорциональный эквивалентной частоте «F» (выход 58).
На фиг.4 приведены осциллограммы сигналов в некоторых точках устройства при шумовом сигнале. На осциллограмме 59 показан сигнал на выходе ДФ КИХ 16. На осциллограмме 60 - сигнал на выходе компаратора 17. На осциллограмме 61 - сигнал на выходе формирователей коротких импульсов 26 и 34 по переднему фронту сигнала компаратора 17. На осциллограмме 62 - сигнал на выходе формирователя коротких импульсов 27 по заднему фронту сигнала компаратора 17. На осциллограммах 63 показаны сигналы на выходе накапливающего сумматора 18, на выходе накапливающего сумматора 20 (нижние осциллограммы) и на выходе усредняющего фильтра 37 измерителя порога (выход умножителя 46, сигнал 64).
Рассмотрим, как отображаются на фиг.4 сигналы, вызванные положительной полуволной 65 импульса и отрицательной полуволной 66 импульса, осциллограмма 59. На выходе компаратора 17 положительная полуволна 65 вызовет сигнал 67, отрицательная полуволна 66 сигнал 68. На выходе накапливающего сумматора 18 вид сигнала от положительной полуволны 65 соответствует сигналу 69, а от отрицательной полуволны 70 на выходе накапливающего сумматора 20 сигнал будет 70. На осциллограмме видно, что сигнал 69 меньше, следующего за ним сигнала 70, т.е. выполняется условие принадлежности шуму положительной полуволны 65 импульса. Сигнал 71 на выходе формирователя 34, через логический элемент «И» 36, производит запись в усредняющий фильтр 37 (в регистр 38) величины этой полуволны шума. Одновременно, предыдущее значение порога переписывается на выход регистра 39 и производится вычисление нового значения порога. Это нашло отражение на сигнале 64 в виде скачка 72. Накапливающий сумматор 18 обнуляется импульсом 71, (осциллограмма 61), а накапливающий сумматор 20 - импульсом 73 (осциллограмма 62).
<mrow><mi>Σ</mi><msub><mi>x</mi><mi>i</mi></msub><msup><mrow /><mn>2</mn></msup></mrow>
На фиг.5 показаны осциллограммы сигналов, поясняющие процессы при обнаружении и измерении импульса от цели. На осциллограмме 74 показан вид сигнала на выходе фильтра 16 фиг.1. На осциллограмме 75 приведен вид сигналов на выходе компаратора 17. На осциллограмме 76 показан сигнал с выхода формирователя 27 коротких импульсов. На осциллограмме 77 показан сигнал с выхода формирователя 26 коротких импульсов. На осциллограммах 78 приведен вид сигналов с накапливающих сумматоров 18, 20 и показан уровень порога 79 с выхода усредняющего фильтра 37. На осциллограмме 80 приведен сигнал с выхода накапливающего сумматора квадратов дискретных выборок текущего значения сигнала
22, а на осциллограмме 81 приведен измеренный параметр «F», эквивалентная частота обнаруженных импульсов цели с выхода 58.
На примере импульса 82 на осциллограмме 74 рассмотрим происходящие в устройстве процессы при обнаружении импульса от цели. Обнаружению подлежат положительные полуволны сигнала, превысившие пороговый уровень. Для этого первый вход логического элемента «И» 53 соединен с выходом компаратора 51 (определяет факт превышения сигналом S+ порогового уровня). Второй вход логического элемента «И» 53 соединен с выходом компаратора 47 (указывает, что эквивалентная частота F не превышает верхний 49 заданный уровень). Третий вход логического элемента «И» 53 соединен с выходом компаратора 48 (указывает, что эквивалентная частота F превышает нижний 50 заданный уровень). Четвертый вход логического элемента «И» 53 соединен с выходом формирователя 52 короткого импульса по фронту компаратора 17 (определяет момент времени окончания положительного импульса, когда принимается решение об обнаружении или не обнаружении полезного импульса). Выход логического элемента «И» 53 соединен с входами умножителей 55, 56, на выходах которых при обнаружении импульса другим потребителям выдаются параметры «S», величина импульса, и «F», величина эквивалентной частоты импульсов от цели. С выхода 43 «Порог» выдается величина порогового уровня. С выхода 54 «Обн.» «логической единицей» выдается сигнал об обнаружения импульса цели. Компаратор 17 от положительной полуволны импульса 82 выдает единичный сигнал 83, осциллограмма 75. В течение действия положительной полуволны накапливающий сумматор 18 от импульса 83 выдает увеличивающийся сигнал 84, а накапливающий сумматор 22 выдает увеличивающийся сигнал 85. Сигналы с выхода накапливающего сумматора 20, вызванные отрицательными полуволнами импульса 83 имеют вид 86. Величина порогового уровня с выхода умножителя 42 показана осциллограммой 79. В момент окончания положительной полуволны импульса на выходе формирователя 52 выдается импульс 87. Если остальные логические условия на входе логического элемента «И» 53 единичные, то на его выходе и выходе устройства 54 возникнет единичный импульс «Обн.». Произойдет выдача на выход устройства параметров импульса «F», эквивалентная частота импульса, с умножителя 56, импульс 88 осциллограмма 81. Также произойдет выдача на выход устройства параметра «S», величина импульса, с выхода умножителя 55, равного максимальной величине импульса 84. Сигнал на выходе «Порог» 43 присутствует постоянно. На примере устройства показано выполнение следующих операций:
- отбор импульсов, по порядку следования во времени и величине соотношения величин полуволн импульса, которые с высокой вероятностью могут быть отнесены к шумовым импульсам;
- отбор импульсов, которые могут быть отнесены к импульсам от цели;
- усреднение модуля величин отобранных шумовых импульсов;
- выполнение усреднения модуля величин шумовых импульсов с частотой, равной частоте обнаружения данных импульсов;
<mrow><mi>F</mi><mo>=</mo><mi>Σ</mi><msub><mi>x</mi><mi>i</mi></msub><msup><mrow /><mn>2</mn></msup><mo>/</mo><msup><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>Σ</mi><msub><mi>x</mi><mi>i</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mn>2</mn></msup></mrow>
- вычисление эквивалентной частоты импульса от цели по формуле:
в измерителе 46 эквивалентной частоты F импульсов;
- сравнение ее на компараторах 47, 48 с диапазоном 49 и 50 возможных значений эквивалентных частот импульса от цели;
- принятие решение об обнаружении импульса от цели и о выдаче на выход устройства измеренных его параметров.
В настоящее время изготовлен образец устройства, реализующий предлагаемый способ, с использованием цифрового сигнального процессора 1867ВЦ5Т [11] и с положительным результатом проведены его испытания.
Источники информации
1. Патент РФ №2173861, 27.12.1999 г., G01S 3/78.
2. М.И.Грязнов, М.Л.Гуревич, З.В.Маграчев. Измерение импульсных напряжений. - М.: Советское Радио. - 1969.
3. П.А.Бакулев, Ю.АБасистов, В.Г.Тугуши. Обработка сигналов с постоянным уровнем ложных тревог. Известия ВУЗов. - М.: Радиоэлектроника. - №4 - 1989.
5
4. Патент США №5280289, 18 января 1994 г. Int. C1. G01S 7/34; U.S. C1. 342/91 [аналог].
5. В.Л.Левшин. Пространственная фильтрация в оптических системах пеленгации. - М.: Советское радио. - 1971.
3
6. Патент США №4318047, 02 февраля 1982 г. Int. C1. G01R 29/02; G01S 3/78; U.S. C1. 328/112 [прототип].
7. К.Ланцош. Практические методы прикладного анализа. - М.: Государственное издательство физико-математической литературы. - 1961.
8. И.Н.Бронштейн, К.А.Семендяев, Справочник по математике. - М.: Гостехиздат.- 1957.
9. Ю.В.Новиков. Основы цифровой схемотехники. Базовые элементы и схемы. Методы проектирования.- М.: Мир. - 2001.
10. Б.Гольд, Ч.Рейдер. Цифровая обработка сигналов. М.: - Советское радио, 1973.
11. Микросхемы интегральные 1867 ВЦ5Т. Техническое описание КФДЛ.431299.013ТО - Воронеж. ФГУП «НИИЭТ» - 2007.