Способ селекции движущихся целей

 

Использование: в гидроакустике. Сущность изобретения: для определения изменения радиальных скоростей цели, увеличения точности измерения радиальных скоростей за счет учета фазовой информации отраженных сигналов при измерении доплеровских параметров в мультипликативном масштабе дополнительно к анализу разности фаз во времени вычисляют скорости целей, по результатам которого осуществляют селекцию. 1 ил.

Изобретение относится к гидроакустике.

Известен способ селекции движущихся целей, основанный на изучении тонального сигнала, приеме отраженного сигнала и принятии решения по доплеровскому сдвигу спектра отраженного сигнала относительно излученного [1] Данный способ неустойчиво работает при малой величине разности радиальных скоростей.

Известен способ селекции движущихся целей, основанный на изучении тонального сигнала, приеме отраженного сигнала и принятии решения по наличию изменения величины разности фаз по времени [2] Этот способ также не обеспечивает высокой разрешающей способности селекции целей по их радиальной скорости.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей за счет определения изменения радиальных скоростей, а также повышения достоверности селекции за счет увеличения разрешающей способности по скорости цели и повышения точности ее измерения.

Это достигается определением изменения радиальных скоростей целей, увеличением точности измерения радиальных скоростей за счет учета фазовой информации отраженных сигналов при измерении доплеровских параметров в мультипликативном масштабе.

Предлагаемый способ заключается в излучении гиперболического частотно-модулированного (ГЧМ)-сигнала, приеме отраженных сигналов, измерении разности фаз излученного и отраженного сигналов и принятии решения по результатам сравнения радиальных скоростей v целей, вычисленных по формуле v [1-exp(k/)] (1) где С скорость звука в среде; exp (K /) доплеровский параметр; разность фаз излученного и отраженного сигналов; К и постоянные величины ГЧМ-сигнала, S(t) rectcos2F ln(1-kt), (2) где 2 F гиперболическая частота ГЧМ-сигнала в мультипликативном масштабе, является постоянной.

По аналогии с фазовым методом измерения задержки в аддитивном масштабе, в мультипликативном масштабе разность фаз отраженного и излученного сигналов в момент компенсации задержки определяет доплеровский параметр. Следовательно, определив разность фаз вычислим доплеровский параметр и соответствующую ему радиальную скорость цели. Без потери общности с целью упрощения выражений примем К 1, амплитуду равной единице и формулу (2) преобразуем к виду
S(t) cos[ ln(1 t)] (3) Излучаем сигнал (3), принимаем эхо-сигнал от движущейся цели. Отраженный сигнал вследствие доплеровской деформации и конечной скорости распространения акустических колебаний в среде имеет вид
S*(t) sin( ln )cos[ ln(1 t
- )] + cos ( ln ) sin[ ln(1
t - )] (4) где задержка на распространение сигнала;
сдвиг во времени, вызванный доплеровским эффектом,

доплеровский параметр;
v радиальная скорость цели.

Определение разности фаз излученного и отраженного сигналов произведем путем квадратурной обработки, для этого проведем корреляционное сравнение отраженного сигнала с излученным, а также со сдвинутым на пол-периода излученным сигналом. В результате корреляционный отклик сравнения (4) с (3) будет иметь вид
(5)
В выражении (5) второе слагаемое равно нулю вследствие ортогональности сигналов под знаком интеграла. С учетом амплитуды сигналов и в момент компенсации задержки получим синусную составляющую квадратурной обработки
S(t)S^*(t)dt sin(ln)R(t-)
(6)
Аналогично корреляционный отклик сравнения (4) с сдвинутым на полпериода сигналом (3) будет равен

(7)
В выражении (7) первое слагаемое равно нулю вследствие ортогональности сигналов под знаком интеграла. С учетом амплитуд сигналов и в момент компенсации задержки получим косинусную составляющую квадратурной обработки
sin[ln(1-t)S^*(t)dt cos(ln)R(t-)
(8)
Вычислив arctg(.) отношения корреляционных откликов синусной (6) и косинусной (8) составляющих квадратурной обработки получим:
arctg arctg ln
(9)
Определим из выражения (9)
exp( / ) (10)
В тоже время по определению равна 1 , откуда v (1 ) C/2.

(11)
В результате скорость цели определяется по формуле
v 1-exparctg
(12)
Сравнение заявляемого способа с прототипом позволяет определить следующие отличительные признаки: фазовый метод селекции целей дополнен операцией вычисления разности измеренных скоростей целей по изменению которой производится селекция; вместо тонального использован ГЧМ-сигнал, позволяющий повысить точность поиска доплеровского параметра, а также упростить его измерение в мультипликативном масштабе в виде фазового сдвига отраженного сигнала относительно излученного.

Это позволяет сделать вывод о соответствии способа критерию "новизна".

Сравнение заявляемого технического решения с известными позволяет сделать вывод, что новая совокупность взаимосвязанных отличительных признаков в сочетании с другими признаками обеспечивает достижение сверхсуммарного эффекта, заключающегося в повышении достоверности селекции целей за счет использования классификационных признаков радиальной скорости цели и ее изменения, которые являются более инерционными параметрами, чем фаза, что способствует эффективной междупериодной обработке. Скорость является векторным параметром, дает численные значения, направления и их изменения, что позволяет отделить цель от вихревых образований. Измерение скоростей (поля скоростей) позволяет (в отличие от поля фазы) выделить цель на фоне колеблющихся под действием течения (ветра) местных предметов, например, растений, биологических объектов. Кроме того, повышена точность определения скорости за счет использования информации о изменении фазы сигналов. Повышенная точность увеличивает разрешающую способность способа в осуществлении селекции движущихся целей. Повышение точности измерения подтверждается следующими выражениями. Минимальная дисперсия ошибки измерения задержки фазового метода определяется выражением [3]
E{(t_R-)²}
(13) где Е{} математическое ожидание;
t_R и t_R измеренная задержка и ее оценка;
эффективная полоса Фурье-сигнала;
Е энергия сигнала;
N_o спектральная плотность мощности шума;
f несущая частота колебаний сигнала.

В случае, если не используется информация о фазе несущей частоты отраженного сигнала, то дисперсия ошибки будет значительно превышать величину, которую дает (13) и определяется формулой
E{t_R-)²}
(14)
Выигрыш в точности фазового метода измерения составляет:
M 1+
(15)
Для случая мультипликативного масштаба по аналогии с (15) выражением выигрыш в точности измерения доплеровского параметра составляет
M_м 1+
(16) где гиперболическая частота;
_м полоса Меллина сигнала.

Из анализа выражения (16) следует, что чем больше величина тем больше выигрыш в точности. Таким образом цель заявляемого технического решения достигнута, получен сверхсуммарный эффект, удовлетворяющий требованиям практики. Это позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию "существенные отличия".

На чертеже изображено устройство реализующее предлагаемый способ.

Устройство содержит генератор 1 ГЧМ-сигнала, излучатель 2, приемник 3, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 4, первую рециркуляционную линию 5 задержки (РЛЗ-1), первый умножитель 6, третью рециркуляционную линию 7 задержки (РЛЗ-3), вторую рециркуляционную линию 8 задержки (РЛЗ-2), второй умножитель 9, фазовращатель (на /2) 10, четвертую рециркуляционную линию 11 задержки (РЛЗ-4); первый усреднитель 12, второй усреднитель 13, вычислитель arctg X/Y 14, блок 15 деления, блок 16 вычисления exp ( / ), блок 17 разности 1 , третий умножитель 18 и индикатор 19.

Способ заключается в следующем.

Излучается ГЧМ-сигнал, формируемый генератором 1 и поступающий через первый выход на вход излучателя 2. Отраженный сигнал принятый приемником 3, после аналого-цифрового преобразования в одноименном блоке 4 поступает на первую и вторую рециркуляционные линии 5 и 8 задержки соответственно. Выход первой рециркуляционной линии 5 задержки соединен с первым входом первого умножителя 6, на второй вход которого поступает излученный сигнал с генератора 1 ГЧМ-сигнала через третью рециркуляционную линию 7 задержки, при этом выход второй рециркуляционной линии 8 задержки соединен с первым входом второго умножителя 9, на второй вход которого поступает излученный, но сдвинутый на пол-периода сигнал, прошедший по цепи выход генератора ГЧМ-сигнала, фазовращатель 10, четвертая рециркуляционная линия 11 задержки, выход последней и подключен к второму входу второго умножителя 9, при этом выход первого умножителя 6 соединен через усреднитель 12 с первым входом вычислителя arctg X/Y 14, второй вход которого соединен через усреднитель 13 с выходом второго умножителя 9. Выход блока вычислителя arctg X/Y 14 соединен с входом делимого блока 15 деления, на вход делителя которого поступает постоянная величина, пропорциональная значению (гиперболической частоты), выход данного блока 15 соединен последовательно с блоком вычисления exp(.) 16, блоком разности 1 (.) 17 и первым входом третьего умножителя 18, на второй вход которого подано постоянное значение, пропорциональное с/2, где с скорость распространения сигнала в среде. Выход третьего умножителя 18 соединен с индикатором 19. Блок управления, синхронизирующий работу устройства и развертку индикатора 19, не показан.

Устройство, реализующее способ, работает следующим образом.

Генератор ГЧМ-сигнала 1 формирует сигнал вида (3) и излучает в среду в направлении исследуемого элемента объема. Отраженный сигнал вида (4) поступает через приемник 3 и АЦП 4 на первую и вторую рециркуляционные линии задержки 5, 8, а затем на соответствующие первый 6 и второй 9 умножители, на вторые входы которых поступают сигналы соответственно cos ln(1 t)) и sin( ln(1 t)) с блоков 7 и 11. С выходов первого и второго умножителей сигналы поступают на первый и второй усреднители 12, 13, на выходе первого усреднителя 12 в момент компенсации временной задержки (для этого служат первая и третья рециркуляционные 5 и 7 линии задержки) получим значение Х пропорциональное выражению (6), а на выходе второго усреднителя 13 получим значение Y по выражению (8).

В результате на выходе вычислителя arctg X/Y формируется сигнал по выражению (9) равный разности фаз между излученным (3) и отраженным (4) сигналами. Блок 15 деления делит на , блок 16 вычисляет exp(/ ) в результате получаем значение доплеровского параметра. Блок 17 вычисляет 1 Блок 18 вычисляет (1-) v скорости цели. Данная величина поступает на индикатор 19 с памятью. Блок управления осуществляет операции по измерению скорости в исследуемом элементе объема во времени, а также в соседних элементах объема. В данном устройстве использованы типовые элементы, описанные в литературе.

Фазовый способ селекции, обладающий максимальной чувствительностью к скорости цели, дополнен операциями вычисления скорости. Это стало возможным благодаря свойствам ГЧМ-сигнала в сочетании с приведенной последовательностью операций, в результате которой в мультипликативном масштабе разность фаз в момент компенсации задержки определяет доплеровский параметр
t = (ln t ln t) ln
exp{/ } а затем и скорость цели
v [1-]
Фазовый способ позволил повысить точность измерения нового параметра селекции цели в М_м раз (см. выражение 16). Кроме того, способ чувствителен к малым отклонениям скорости в отличие от способа, основанного на спектральном выделении доплеровского сдвига (оптимизированного для больших значений доплеровского параметра). Такая совокупность новых качеств обеспечила повышение достоверности селекции целей за счет увеличения разрешающей способности по скорости целей, а также повышения точности их измерения.

Формула изобретения

СПОСОБ СЕЛЕКЦИИ ДВИЖУЩИХСЯ ЦЕЛЕЙ, основанный на облучении исследуемого объема пространства сигналами излучения, приеме отраженных сигналов, определении разности фаз между излученными и отраженными сигналами, отличающийся тем, что излучают ГЧМ-сигнал, по разности фаз вычисляют радиальную скорость движущихся целей и при наличии заданного изменения разности радиальных скоростей по времени и/или по элементам исследуемого объема принимают решение о селекции движущихся целей, при этом радиальную скорость целей определяют по формуле

где C скорость сигнала в среде;
гиперболическая частота излучаемых гиперболических частотно-модулированных сигналов (ГЧМ-сигналов);
Dv разность фаз излучаемых и отраженных сигналов,
кроме того, по максимальному изменению разности радиальных скоростей по времент и/или элементам исследуемого объема уточняют местоположение селектируемой цели.

РИСУНКИ

Рисунок 1