Обнаружитель слабых переотражений в импульсных помехах
Обнаружитель слабых переотражений в импульсных помехах, содержащий последовательно включенных блоки нелинейного преобразования, блок формирования ансамбля переотраженных сигналов, блок матричного перемножения, блок вычислителя первого собственного вектора, блок вычисления порядковых статистик и блок визуализации, позволяющий эффктивно обнаруживать переотраженные сигналы в условиях совместного действия импульсных и флуктуационных помех. Устройство реализуемо стандартными средствами цифровой обработки сигналов и может быть использовано при модернизации метеорадиолокаторов с целью повышения их чувствительности при обнаружении областей формирования электрических зарядов в электрически активных облаках, возникающих в окрестностях аэродромов. 6 п.ф., 8 ил.
Область техники
Область техники - радио, гидро и метеолокация. Предлагаемая в полезной модели конструкция может быть использована для обнаружения слабых переотражений в смеси аддитивного флуктуационного шума и импульсной помехи. Предлагаемая конструкция может быть реализована известными программно-аппаратрными средствами [1].
Уровень техники. Аналоги и их недостатки
В радиолокационных устройствах функционирующих в условиях действия импульсных помех достаточно широко применяется комбинация нелинейного входного преобразователя и тех или иных конструкция накопителей [2, 3]. В большинстве случаев конструкция обнаружителя переотражения может быть представлена схемой фиг.4.
В известной монорафии [4] рассмотрен общий подход к синтезу оптимальных и субоптимальных структурных схем радиолокационных приемников (как устройств, осуществляющих обнаружение переотражений и оценку параметров переотраженного сигнала), основанный на использовании разложения Карунена-Лоэва (аналогом которого для дискретных сигналов является представление в базисе собственных векторов ковариационно матрицы [7]). В патенте [5] предложены конструкция, которые использует разложение по базисам собственных векторов ковариационной матрицы для решения разных классов задач обработки дискретных сигналов. В патенте [6] предлагается конструкция, которая также как и в [5] использует базис собственных векторов ковариационной матрицы переотраженных сигналов и осуществляет обнаружение переотражения с использованием анализа спектра собственных значений.
Основным недостатком описанных выше конструкций является их сравнительно низкая эффективность в условиях совместного действия аддитивного флуктуационного шума и импульсной помехи. Указанный недостаток иллюстрируется фиг. 1.
Как будет далее показано, использование конструкции, предлагаемой в полезной модели, позволяет устранить указанный недостаток.
Прототип
Прототип представлен на фиг. 5 и состоит из последовательно соединенных блока нелинейного преобразования - 1, блока накопления - 7, блока вычислителя среднего - 9 и блока визуализации - 6. Эта конструкция в разных вариациях представлена в [2, 3].
Описание полезной модели
Конструкция обнаружителя слабых переотражений в импульсных помехах представлена на фиг. 2 и состоит из последовательно соединенных блока нелинейного преобразования (логарифмического усилителя или ограничителя) - 1, блока формирования ансамбля переотраженных сигналов - 2, блока матричного перемножения - 3, блока вычислителя первого собственного вектора - 4, блока вычисления порядковых статистик - 5, блока визуализации - 6.
Блок нелинейного преобразования 1 может быть выполнен или в виде логарифмического усилителя, или в виде ограничителя. Логарифмический усилитель имеет амплитудную характеристику линейную для отосительно слабых сигналов, которая плавно переходит в логарифмическую кривую 
(для больших положительных сигналов) и в кривую - 
(для больших отрицательных сигналов). Точкой перехода линейного участка в логарифмический является точка касания прямой, проходящей через начало координат и логарифмической кривой, как это показано на фиг. 3. На той же фигуре показана и амплитудная характеритика ограничителя.
Конструкция ОСПвИП может быть дополнена блоком накопления - 7 и блоком вычисления среднего геоетрического - 8, как это показано на фиг. 3.
Формирование ансамбля в блоке 2 осуществляется на основании знания периода зондирующих импульсов. После передачи в окружающую среду зондирующего импульса приемник осуществляет накопление определенного числа дискретов принимаемого сигнала. Накопленная таким образом последовательность является одной строкой матрицы ансамбля. Следующие строки матрицы ансамбля накапливаются таким же образом - после передачи в окружающую среду очередного зондирующего импульса. Так формируется матрица ансамбля 
, где N - число элементов ансамбля (число зондирующих импульсов, используемых при формировании ансамбля), M - число отсчетов в матрице строке (временная апертура ОСПвИП), j - номер матрицы ансамбля.
В блоке матричного перемножения 3 осуществляется оценка ковариационной матрицы 
на основании матрицы ансамбля 
по формуле:
где
(
)' - транспонирование матрицы.
В частном случае, когда при построении ансамбля используется вего одна строка блок 3 реализует перемножение матрицы-столбца размером M на матрицу строку того же размера.
В блоке 4 вычисляется первый собственный вектор матрицы 
(собственный вектор имеющий максимальное собственное значение). Для решения этой задачи может быть использован любой известный алгоритм решения задачи на собственные вектора и собственные значения [2]. Первые собственные векторы 
удовлетворяют соотношению
где
- максимальное собственное значение ковариационной матрицы .
Напомним, что собственный вектор представлет собой матрицу-столбец с размером M×1
В блоке вычисления порядковых статистик 5 для серии собственных векторов , каждый из которых получен для своей матрицы ансамбля (длина этой серии равна некоторой величине G1) строится медианное значение 
median или значение нижней огибающей footer. Это выполняется при помощи следующих формул:
где
- матрица размера M×G, образованная из последовательности первых собственных векторов,
median(Xk×l ) - функция которая возвращает матрицу размера 1×l, каждый элемент которой представляет собой медианное значение соответствующего столбца матрицы Xk×l,
min(X k×l) - функция которая возвращает матрицу размера 1×l, каждый элемент которой представляет собой минимальное значение соответствующего столбца матрицы Xk×l .
Каждой полученной с использованием (3) или (4) оценке присваивается свой номер по порядку от 1 до некоторой величины G2. Обозначим эти оценки как 
, где величина i меняется от 1 до G2.
В блоке 7 осуществляется накопление оценок 
- в результате получается матрица размера G2 ×M, которая имеет вид
и образована из строк 
.
В блоке 8 вычисляется среднее гометрическое от (5) по формуле
где
Gmean(Xk×l ) - функция которая возвращает матрицу размера 1×l, каждый элемент которой представляет собой среднее геометрическое соответствующего столбца матрицы Xk×l.
Соотношение (6) определяет выходной сигнал, который и визуализируется в блоке 6. Каждый визуализированный в этом блоке сигнал является результатом обработки N·G1·G2 переотражений зондирующего импульса.
Технический результат. Причинно-следственные связи. Доказательства технических результатов На фиг. 6 показано как прототип, предствленный на фиг. 5 ведет себя в условиях действия на входе устройства гауссовских (фиг. 6а) и импульсных шумов (фиг. 6б). В качестве модели импульсных шумов рассматривались шумы с двухсторонним паретоским распределением. Для сравнения на фиг. 8 на одном графике представлены их плотности вероятностей для гауссовских и паретовских шумов.
Как показывает сравнение рисунков фиг. 6а и фиг. 6б прототип в условиях гауссовских шумов работоспособен, тогда как при действии импульсных шумов (фиг. 6б) он теряет свою работоспособность.
В то же самое время, использование предлагаемой в полезной модели конструкции позволяет эффективно выделять переотражения и в условиях импульсных шумов. Так на фиг. 7 показано, что предлагамая полезная модель при использовании в качестве блока нелинейного преобразования ограничителя показывает хорошие результаты в смеси флуктуационного аддитивного шума и импульсной помехи. Фиг. 7б демонстрирует, что в тех же условиях действие прототипа не является эффективным.
Промышленная применимость
Предлагаемая конструкция может быть использована при модернизации действующих метелорадиолокаторов, которые при использовании предлагаемой конструкции устройства обработки переотраженных сигналов становятся способными обнаруживать области генерации электрических зарядов в электрически активных облаках, возникновение которых в окрестностях аэродромов существенно повышает вероятность поражения самолета молниями [8].
Описание фигур-чертежей
Фиг. 1. Моделирование работы конструкции прототипа при воздействии флуктуационного аддитивного шума - a) и при совместном воздействии флуктуационного аддитивного шума и импульсной помехи. Два переотражения с одинаковыми коэффициентами оответствующие задержкам 1 и 2 (по оси абсцисс). В качестве блока нелинейного преобразования 1 используется ограничитель. Аддитивный шум имеет стандартное отклонение в 12 раз превышающее уровень переотраженного сигнала. Интерквартильное расстояние для импульсной помехи равно 12. Распределение импульсной помехи двухстороннеее паретовское с параметром 1.12.
Промышленная применимость полезной модели
Фиг. 2. Обнаружитель слабых переотражений в импульсных помехах (п. 1):
1 - блок нелинейного преобразования;
2 - блок формирования ансамбля переотраженных сигналов;
3 - блок матричного перемножения;
4 - блок вычислителя первого собственного вектора;
5 - блок вычисления порядковых статистик;
6 - блок визуализации.
Фиг. 3. Обнаружитель слабых переотражений в импульсных помехах (п.2):
1 - блок нелинейного преобразования;
2 - блок формирования ансамбля переотраженных сигналов;
3 - блок матричного перемножения;
4 - блок вычислителя первого собственного вектора;
5 - блок вычисления порядковых статистик;
6 - блок визуализации,
7 - блок накопления;
8 - блок вычисления среднего геометрического;
Фиг. 4. Амплитудные характеристики блока нелинейного преобразования. Сплошной линией показана амплитудная характеристик ограничителя, пунктирной - логарифмического усилителя (отмечены точки перехода линейного участка в логарифмический).
Фиг. 5. Прототип: 1 - блок нелинейного преобразования, 6 - блок визуализации, 7 - блок накопления, 9 - вычислитель среднего.
Фиг. 6. Результаты имитационного моделирования прототипа для случая, когда блок нелинейного преобразования 1 - логарифмический усилитель (число циклов накопления N=1000) в гауссовских шумах при 
=1-a) и паретовских шумах - б) при 
=1.12, q0.75-q0.25=1.
Фиг. 7. Результаты имитационного моделирования прототипа для случая, когда блок нелинейного преобразования 1 - ограничитель (число циклов накопления N=1000) в гауссовских шумах при =12-a) и паретовских шумах - б) при =1.12, q0.75-q0.25=12.
Фиг. 8. Сравнение плотностей вероятностей двухстороннего паретовского распределения с гауссовским (=1, =2, q0.15-q0.25=1).
Источники информации
1. Проектирование систем цифровой и смешанной обработки сигналов / Под ред. Уолта Кестера. М.: Техносфера, 2010. 326 с.
2. Ширман Я.Д. Теоретические основы радиолокации. М: Сов. радио, 1970. 560 с.
3. Финкельштейн М.И. Основы радиолокации. М.: Радио и связь, 536 с.
4. Ван Трис Г. Теория обнаружения, оценок и модуляции, т.1, М.: Сов. радио, 1972. 742 с.
5. Грунская Л.В., Исакевич Д.В., Исакевич В.В. Анализатор собственных векторов и компонент сигнала. Панент на полезную модель 116242, Правообладатели: ООО «БизнесСофтСервис», Исакевич Д.В., Исакевич В.В.
6. Батин А.С., Исакевич Д.В., Исакевич В.В. Обнаружитель переотражений. Панент на полезную модель 128724, Правообладатели: ООО «БизнесСофтСервис», Исакевич Д.В., Исакевич В.В., Батин А.С., Балакирев А.Н..
7. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров: Определения, теоремы, формулы: Пер. с англ. М.: Наука, 1970. 720 с.
8. Кочин А.В. Об особенностях реализации индукционных механизмов разделения электрических зарядов. VII Всероссийская конференция по атмосферному электричеству. СПб. Главная геофизическая обсерватория им. А.И. Воейкова, с. 148-149.
1. Обнаружитель слабых переотражений в импульсных помехах, содержащий блок нелинейного преобразования 1, блок формирования ансамбля переотраженных сигналов 2, блок визуализации 6, отличающийся тем, что устройство выполнено либо из последовательно включенных входного блока нелинейного преобразования 1, блока формирования ансамбля переотраженных сигналов 2, блока матричного перемножения 3, блока вычислителя первого собственного вектора 4, блока вычисления порядковых статистик 5, блока визуализации 6, либо из последовательно включенных входного блока нелинейного преобразования 1, блока формирования ансамбля переотраженных сигналов 2, блока матричного перемножения 3, блока вычислителя первого собственного вектора 4, блока вычисления порядковых статистик 5, блока накопления 7, блока вычисления среднего геометрического 8, блока визуализации 6.
2. Обнаружитель слабых переотражений в импульсных помехах по п.1, отличающийся тем, что блок нелинейного преобразования 1 выполнен как логарифмический усилитель.
3. Обнаружитель слабых переотражений в импульсных помехах по п.1 или по п.2, отличающийся тем, что блок нелинейного преобразования 1 выполнен как ограничитель.
4. Обнаружитель слабых переотражений в импульсных помехах по п.1 или по п.2, отличающийся тем, что блок вычисления порядковых статистик 5 выполнен как блок вычисления минимума.
5. Обнаружитель слабых переотражений в импульсных помехах по п.1 или по п.2, отличающийся тем, что блок вычисления порядковых статистик 5 выполнен как блок вычисления медианы.
