Цифровой анализатор

 

ЦИФРОВОЙ АНАЛИЗАТОР, содержащий последовательно соединенные блок быстрого преобразования .. Фурье и блок вычисления квадрата модуля дискретного преобразования (ДПФ) , оперативное залтоминаняцёе устройство, блок деления, блок вычитания среднего и последовательно соединенные генератор весовой функции, блок умножения и блок обратного быстрого преобразования Фурье, отличающийся тем,что,с целью повышения точности измерения взаикн з1Х временных , введен переключатель, информационнь1й вход которого соединен с выходе блока вычисления квадрата модуля ДПФ, первый выход - с входом записи оперативного запоминающего устройства, второй выход - с первым входом.блока деления, второй вход которого подключен к выходу считывания оперативного запомина .ищего устройства, а выход через блок вычитания среднего - к дру .гому входу блока умножения.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ CCCP

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ 1

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ. " ":(:."., К ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ ие.1

Л!1) 3280955/ 18-09 (22) 20.04.81 (46) 30.11.83.Бюл, . 9 44 (72) А.В.Зеленков (53) 621.391-84(088.8) (56) 1. Чайлдерс Д. и др. Кепстр и его применение при обработке данных. ТИИЭР, т. 65 1977, 9 10, с. 5-23, рис ° 1.

2. Авторское свидетельство СССР

Р 834585 кл. G 01 R 23/16, 1979 (прототип). (54)(57) ЦИФРОВОЙ AHM183ATOPi содержащий последовательно соединенные блок быстрого преобразования

Фурье и блок вычисления квадрата модуля дискретного преобразования

Фурье (ДПФ), оперативное запоминающее устройство, блок деления, блок

69) «ЭО (11) А вычитания среднего и последовательно соединенные генератор весовой функции, блок умножения и блок обратного быстрого преобразования

Фурье, отличающийся тем,что,с целью повьыенил точности измерения взаимных временных сджтов, введен переключатель, информацион- ный вход которого соединен с выходом блока вычисления квадрата модуля ДПФ, первый выход - c входом записи оперативного запоминающего устройства, второй выход — с первым входом. блока деления, второй вход которого подключен к выходу считывания оперативного эапомина.кщего устройства, а выход через блок вычитания среднего — к дру.гому входу блока умножения.

1057872

Однако это устройство требует достаточна сложной в реализации процедуры трехкартной весовой обработки, чтобы уменьшить влияние шумов после Я) логарифмирования, и не позволяет использовать. априорную информацию о форме элементарного колебания (т.е. отражения, если речь идет аб 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- 15 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 уроння шумов за пределами полосы частот, занимаемой сигналом, после комплексного логарифмирования. 2S

Кроме того, эта система является, сложной в реализации из-за необходимости обработки комплексной спектральной функции.

Наиболее близким к предлагаемому является цифровой анализатор, который 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 лифтра длинных частот, второй блок

БПФ, блок деления, генератор весовой

Функции, блок ограничения сверху, блок потенцирования, блок вычитания среднего, последовательно соеди- 45 ненные генератор весовой функции, второй блок умножения и второй блок

ОБПФ, а также третий блок умножения, второй блок ограничения снизу. Такое устройство позволяет обрабаты- 50 вать радиолокационные сигналы, эанимакпцие конечную полосу частот, и более просто в реализации по сравнению с кепстральной системой, использующей комплексную спектральную функ 55 цию (2$ ° ванных 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. Ераме того, необходимо использование блоI ков логарифмирования и патенцирования, достаточно сложных в реализации.

Цель изобретения — повышение точности измерения взаимных временных сдвигов.

Поставленная цель достигается тем, что цифровой анализатор, содержащий последовательно соединенные блок быстрого преобразонания 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 абратнога быстрого преобразования

Фурье, введен переключатель, информационный вход катарога 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 бперативнога запоминающего устройства, а выход через блок вычитания среднего — к другому входу блока умножения .

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 ДПФ1 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 вычитания среднего (фиг.2) содержит накапливающий сумматор 13, регистр 14 сдвига, выходной регистр 15, опера тинное запоминающее устройство (ОЗУ)

16, вычитатель 17. Блок 3 вычисления квадрата модуля ДПФ (фиг.3) со1057872

1О 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 ф,(<д1 . Сигнал с одним отражением получается в случае, .<огда 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

jyg (11 где Ь вЂ” постоянный коэфИ ) фициент. Если затем в процессе измерения правую часть 2 разделить на эту функцию, то получим чисто вещественную четносимметричную атно сительноу=О спектральную функцию (9(и)!

) (4 =, = —., (, (l a c os v i + a") (3)

1 К()1 ibl

Обратное преобразование Фурье ,.or Д(ы) на оси врем ни дает три

S -импульса: один положительный

< а при =0 с амплитудой р - и два одинаковых, симметрично расположенных относительно =0 в точках " . (ла2 с амплитудой ) )1 Величина. 2 в (3) является средним значением.

Если эту величину определить путем усреднения (3), по 4), а затем вычесть из исходного выражения его среднее значение, то после обратного преобразования Фурье будем иметь только два импульса, +n расположенных в точках + относительно t=O.Измерив временной интервал между этими импульсами, равный

2ь . можно .гораздо точнее, чем это можно было по сигналу S(t), определить толщину слоя земного покрова, приведшего к формированию сигнала S(t).

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, сформированный в результате отражения от слоев в земном покрове с хорошо отражающими границами раздела, можно представить в виде суммы отражений от каждой из границ раздела. Если это, например, лед, то первым отражением будет сигнал, отраженный гарницей раздела воздух — лед, 15 а вторым, запаздывающим относительно первого, является сигнал, отраженный от границы раздела лед — вода. Для тонкого малосоленого льда толщиной до 40 — 50 см оба „отражения имеют примерно одинаковую форму, близкую к форме зондирующего сигнала, и в общем случае разную амплитуду. Известно, что существующие методы подповерхностной радиолокации не позволяют измерять толщину льда менее 50 см вследствие невозможности разрешить в принимаемом сигнале отражения от первой (воздух — лед) и второй

30 (лед — вода) границ раздела. Не лучшие результаты получаются и в случае других Природных слоистых сред. Устройство позволяет благодаря дополнительной обработке 35 увеличить разрешающую способность . радиолокационных станций подповерхностного зондирования.

Пусть отраженный сигнал S(t) про шедший приемник и преобразованный, . например, с помощью стробоскопи- 4О ческой обработки, в область видео или даже звуковых частот имеет два отражения S <(t) и. S <(t), и эаписывг ется в виде

ММ = -) И -)1(1, где () = qq,(t- ), < — взаимный сдвиг, а — относительная амплитуда, а в общем случае может быть больше или меньше нуля, а модуль /а) - больше или меньше единицы.

Если спектральную функцию первого,,отражения" S (t) записать как а)((,))е > где (d — круговая 55 частота; с — задержка Sq(t) относительно ЬО, j =+7,ro спектральная функция второго "отражения" будет (д () соответственно pBBHQA а Б„((ф) е, 60

Таким образом, для составного сигнала S(t) получим спектральную функцйю >S() в виде (и)=Э„() е (и ае "

Из (1) нетрудно получить квадрат модуля 5 (M) (1 („д) (. а со и". а ) (р)

Из (2) следует, что взаимную задержку с можно измерить с высокой точностью, если в (2) исключить 2 множитель 4(И) . Это можно мерное равенство(Ь| "- Р Поэтому в дальнейшем полагаем Ь =1, На практике получить 8 -импульсы не удается из-за наличия шумов и отличий в форме образца элемен-, тарного колебания и отражений в сос тавном,сигнале. В области, где шумы по мощности соизмеримы или преобладают над квадратом модуля спектральной1 функции образца, операция деления н левой части (3) невыполнима на тех частотах, где модуль спектральной функции образца равен нулю, или же 4я будет иметь очень большие случайные по величине выбросы на тех частотах, где числитель, 15 левой части (3) много больше знаменателя. Для уменьшения влияния шумов целесообразно применение частот" ных"окон", за пределами которых h(v)=

"Окном" выделяется та часть А(4>), . 2(» где модули спектральных функций отражений и образца близки друг. к другу и отношение сигнал/шум по мощности для сигнала и образца больше 1.

При видоимпульсном зондировании спектральные функции Й (сд) и б ((>) сосредоточены в полосе со средней частотойЯ=О. Эту полосу можно выделить прямоугольным окном, определить в пределах окна среднее значение, вычесть его из Л((0) и результат умножить на весовую функцию, преобразонание Фурье которой имеет малый уровень боковых лепестков при небольшом расширении главного лепестка относительно преобразования Фурье прямоугольного окна. Наиболее часто употребляются весовые функции Жнна, Хзмминга, Блэкмана и др. Ограничение

A(co) "окном" и взвешивание в пределах "окна" приводят к уменьшению 40 амплитуды и расширению g --импульсов.

Устройство работает следующим образом.

В соответствии с изложенным выше введены два режима работы. В пер- 45 вом подготовительном режиме происходцт запись в блок ОЗУ 5 отсчетов квадрата модуля ДПФ образца элементарного колебания. Во втором основном режиме производится обработка составного сигнала, полученного в результате зондирования слоистых земных покровов. Переход от одного режима к другому обеспечивается переключателем 4 и блоком 12. Он 55 может осуществляться как автоматически, так и вручную. Для управления переключателем 4, с целью перехо да из одного режима в другой, из блока 12 подаются импульсы (не пока- щ заны} .

В течение времени обработки образца блок 12 управления подключа.ет вход переключаетеля 4 к его первому выходу, При этом происходит $5 запись в ячейки ОЗУ 5 отсчетов кнад рата модуля ДПФ образца. Эти отсчеты формируются следующим образом. Из аналогового сигнала образца, поступающего на вход аналого-цифрового преобразователя 1, в соответствии с теоремой Котельникова с частотой не менее чем в 2 раза большей верхней частоты в спектре обрабатываемых сигналов, берутся выборки, амплитуда которых преобразуется н двоичный код и подается на вход блока 2 БПФ. Частота взятия выборок определяется периодом Т повторения тактовых импульсов, поступающих на вход управления аналого-цифрового преобразователя 1 с первого выхода блока 12 управления (фиг.4а).

Эти импульсы управляют записью цифровых выборок во входной регистр блока 2 БПФ. В течение интервала определения сигнала берется и выборок, где М соответствует размеру

ДПФ и для алгоритма БПФ является степенью 2. Началом выполнения БПФ управляют импульсы (фиг.46), которые поступают с нторого выхода блока 12 управления на второй вход бло. ка 2 БПФ после записи в его входной регистр ¹îé цифровой выборки. После выполнения ДПФ оказываются записанными в два выходных регистра блока 2 БПФ - регистр вещественной части ДПФ и регистр мнимой части

ДПФ. Так для действительных сигналов коэффициенты ДПФ попарно комплексно сопряжены, т.е. имеют оди-наковую величину квадрата модуля для f-ro и (N-f}-го коэффициентов, где f"-1,2,3,...„М/Д-1, то после выполнения БПФ необходимо обрабатывать не более, чем (N/2+1)данных. С другой стороны, часть из оставшихся (N/.2+1) коэффициентов ДПФ, имеющих небольшую величину модуля, являются искаженными шумами и их за пределами "окна" следует заменить нулевыми отсчетами. Если предположить, что обрабатываются видеоимпуль сные сигналы, то в пределах,"окна" шириной в М отсчетов должны быть коэффициенты ДПФ с номерами О 414 (И-1 )/2 и (И-. (М-1 )/2 j c f < (N-1 ), если N - нечетное число и M (N-1) или с номерами О Й=М/2 и (N-M/2 ) « 16 (N-1 ), если

М вЂ” четное число и М а N. Поичем коэффициенты ДПФ, соответствующие краям окна, делятся на 2.

Таким образом, учитывая симметрию, необходимо обрабатывать всего (М+1 )/2 коэффициентов ДПФ в случае М нечетного или (N/ 2+1)êîýÔôèöèåíòoâ в случае И четного. Ниже полагаем И четным числом.

С выходных регистров блока 2 БПФ считывается пара отсчетов, соотнет1057872 стнующая мнимой и вещестненной части каждого коэффициента ДПФ для номеров f от 0 до М/2, которая поступает на два входа (Йе @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.4в), которые

10 имеют нид пакета из (М/2+1) импульсов. Период следования импульсов (фиг. 4,в) определяется временем вычисления квадрата модуля одного коэффициента ДПФ. Отсчеты квадрата

15 модуля ДПФ далее с выхода блока 3 вычисления квадрата модуля ДПФ через переключатель 4 поступают на вход записи ОЗУ 5 и в его ячейках запоминаются на все время работы устройства во 2-ом режиме. Для . управления 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.4в) на один период повторения так, чтобы каждый из импульсов (фиг.4,г) поступал на первый вход управления

ОЗУ 5 во время, когда на выходе блока 3 нычисления квадрата модуля

ДПФ 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 деления °

На выход делителя блока б деления однонременно с отсчетами квадрата модуля ДПФ исследуемого составного сигнала, поступающими со нто35 ца, которые были записаны в первом режиме. Считыванием их ОЗУ 5 и процессом деления н блоке б деления управляет последовательность им фльсов с пятого выхода блока управления (фиг. 4,г). Результат деления (частное) с выхода блока б деления поступает на вход блока 7 вычитания среднего. В этом блоке 7 производится запоминание отсчетов в пределах 1/2 "окна"("окно"- четное) для 1 от 0 до М/ 2, накопление

50 этих отсчетов и, учитывая свойство четности, определяется сумма отсчетов результата деления для все55

ro "окна" при 0 i М а р (н - М(2) -f é N -l, затем вычисляется среднее значение делением суммы на число отсчетов, равное М, и, наконец, полученное

60 среднее значение вычитается из поступивших отсчетов частного. Всеми этими операциями управляют импульсы (фиг. 4д,е). Вычитание среднего

65 рого выхода переключателя 4 с выхо- 40 да считывания ОЗУ 5 подаются отсчеты квадрата модуля ДПФ образзначения (фиг. 2) в пределах "окна" 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.4е) .

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.4е). Во входном регистре блока

10 ОБПФ запись каждого входного отсчета в силу четной симметрии последних, кроме Й=О и f N/2 (когда M=N), производится сразу в две ячейки с номерами f u N-f. Для M/2àfñ(N-М/2), т.е. за пределами окна", в ячейки этого регистра записываются нули. Началом выполнения ОБПФ управляют импульсы блока 12 управления (фиг.4ж), 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 f 1,2,...M/2, а если

М=Н, то для f=1,2,..., (N/ 2-1).

Отсчеты с номерами f=0 Й=Ь/2 по.ступают в накапливающий сумматор

l3 без сдвига, испытывая только

1057872

9. преобразование кода, если это необходимо. Регистр 14 сдвига обеспечивает деление накопленной в накапливающем сумматоре 13 суммы на чиСло отсчетов квадрата модуля ДПФ ,в пределах "окна", равное M . В том же накапливающем сумматоре 13 код результата деления запоминается в выходном регистре 15. ОЗУ 16 предназначен для запоминания M/2+1 отсчетов с номерами от 0 до M/2, поступающих на его вход записи с выхода блока 6 деления. Это запоминание осуществляется на вермя работы накапливающего сумматора 13.

Йячитатель 17 предназначен для вычитания среднего значения, хранящегося в выходном регистре 15. Для записи чисел в регистр 14 сдвига и ОЗУ 1 6 в блок 7 вычитания среднего подаются импульсы (фиг.4,е)

Импульсы (фиг. 4,е ) используются для считывания чисел из

ОЗУ 16 и с выходного регистра 15.

Импульсы (фиг.4,д) управляют считыванием суммы из накапливающего сумматора 13 и началом деления в выходном регистре 15.

Блок 7 вычитания среднего работает следующим образом.

Отсчеты с выхода блока б деления поступают на вход записи ОЗУ 16 и запоминаются в его ячейках в со- ответствии с их номерами от f=O до

Й=М/2.. Одновременно каждый отсчет записывается в регистр 14 сдвига, сдвигается на один разряд и переписывается в накапливающий сумматор 13 где суммируется с предыдущими отсчетами. После поступления последнего отсчета с f =И/2 накопленная в накапливающем сумматоре 13 сумма считывается и подается в выходной реГистр 15. На тактовый вход выходного регистра подается код числа M (импульсы фиг.4,и)из блока 12 управления, После выполнения деления начинается считывание отсчетов, записанных в, ячейки ОЗУ 16. Одновременно считывается код частного с выходного регистра 15. Оба кода подаются в вычитатель 17 для вычитания из первого числа второго.

Код частного при считывании не стирается. Двоичный код разности подается на вход блока 8 умножения. В состав блока 3 вычисления квадрата модуля ДПФ (фиг ° 3) входят умножители 18 и 19 и сумматор 20.

На оба входа каждого умножителя

18 и 19 подается код одного и того же числа, поэтому на выходе получается код квадрата этого числа.

Числа с выходных регистров вещественной (R ) и мнимой (Jm) частей блока 1 БПФ на входы и 3щ умножителей 18 и 19 поступают одновременно. После умножения производится сложение квадратов чисел в сумматоре 20. Код суммы с выхода сумматора 20 поступает на вход переключателя 4.

15 Таким образом, предлагаемое устройство позволяет увеличить разрешающую способность и точность РЛС подповерхностного зондирования, уменьшив нижнюю границу диайазона О измеряемых толщин льда до 25-35 см по сравнению с 50 см при отсутствии обработки в зависимости от отношения сигнал/шум; 25 см при отношении более 40 дБ и 35 см при отношении

75 сигнал/шум более 14 дБ. При этом точность измерения малых толщин не хуже 50-60% с плавным ее увеличением до 5-10о опри толщинах более

60-75 см (предполагалось, что границе разрешения в смысле Рэлея в сигнале обработки беэ шумов соответствует толщина 45 см). Прототип обеспечивает близкие результаты при отношениях сигнал/шум больших

40 дБ и становится практически неработоспособным при отношении . сигнал/шум меньшем 20 дБ, тогда как предлагаемое изобретение позволяет измерять сдвиг импульсов даже при отношении сигнал/шум, равном 0 дБ, если правильно выбрана ширина. частотного окна. Правда, при таком отношении сигнал/шум точность выше 50% обеспечивается для толщин более 50 см. Предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом при отношениях сигнал/ шум больших 40 дБ обеспечивает лучшие разрешение и точность измерения не хуже, чем в 1,2-1,3 раза, а при меньших значениях отношения точность, обеспечиваемая прототипом резко ухудшается, а предлагаемое изобретение сохраняет достаточно высокую эффективность вплоть до 5-10 дБ.

1057872

B_#_Ra

gax. дат

° м

Составитель Т.Афанасьева

Редактор М. Ткач Техред Т. Маточка Корректор Г. Решетник

Заказ 9580/48 Тираж 710 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам .изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4