RU2144209C1 - Способ овчинникова обработки данных для обнаружения источника излучения - Google Patents

Способ овчинникова обработки данных для обнаружения источника излучения Download PDF

Info

Publication number
RU2144209C1
RU2144209C1 RU99109821A RU99109821A RU2144209C1 RU 2144209 C1 RU2144209 C1 RU 2144209C1 RU 99109821 A RU99109821 A RU 99109821A RU 99109821 A RU99109821 A RU 99109821A RU 2144209 C1 RU2144209 C1 RU 2144209C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
spectrum
signal
fourier transform
harmonics
mutual
Prior art date
Application number
RU99109821A
Other languages
English (en)
Inventor
А.В. Овчинников
Original Assignee
Овчинников Александр Васильевич
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Овчинников Александр Васильевич filed Critical Овчинников Александр Васильевич
Priority to RU99109821A priority Critical patent/RU2144209C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2144209C1 publication Critical patent/RU2144209C1/ru

Links

Images

Landscapes

  • Radar Systems Or Details Thereof (AREA)

Abstract

Изобретение относится к измерительной технике и автоматике. Способ заключается в том, что для получения более узкого глобального максимума при обнаружении источника излучения выполняют преобразование первого сигнала в спектральное преобразование Фурье и преобразование второго сигнала в комплексно-сопряженное спектральное представление Фурье, получение взаимного спектра, получение расширенного спектра из взаимного спектра путем выравнивания модулей амплитуд его гармоник на константу, оставляющую неизменной сумму квадратов амплитуд модулей всех гармоник, и последующее обратное преобразование Фурье расширенного спектра. Достигаемым техническим результатом является получение глобального максимума на порядок уже, чем у кроскорреляционной функции, а следовательно, и уменьшение уровня боковых лепестков. 4 ил.

Description

Изобретение относится к измерительной технике и автоматике и может быть использовано в пеленгаторах, при обработке сигналов с датчиков звуковых, электромагнитных колебаний или потоков частиц.
Известны устройства для обработки сигналов, реализующие корреляционный способ (например, а.с. СССР N 1352501, G 06 F 15/336, опубл. 15.11.87), заключающийся в получении спектров двух сигналов и их обработки с целью вычисления значений корреляционной функции. Этот способ обработки оптимален только в классе линейных обработок сигналов.
Наиболее близким к предлагаемому является способ обнаружения сигналов от источника излучений путем корреляционной обработки (а. с. СССР N 1472916 G 06 F 15/336, опубл. 15.04.89), включающий получение сигналов с двух датчиков, преобразование их в спектральные представления, перемножение комплексных амплитуд гармоник двух спектров и получение комплексного взаимного спектра, который подвергают обратному преобразованию Фурье для вычисления значений корреляционной функции.
Недостатком этого способа обработки является то, что он оптимален только в классе линейных обработок сигналов (в некоторых случаях глобальный максимум имеет большую ширину и велика амплитуда боковых лепестков) и поэтому нуждается в улучшении показателей по помехоустойчивости (надежное определение факта наличия источника) и повышении точности определения положения глобального максимума (для точной оценки координат источника излучения).
Таким образом, задачей изобретения является создание такого способа обработки, результат Z которого имеет узкий глобальный максимум с малыми боковыми лепестками и, как следствие этого, снижение ошибок при обнаружении сигналов, смешанных с шумами, и повышение точности оценок местонахождения источника сигналов.
Поставленная цель достигается тем, что при обработке данных для обнаружения источника излучения выполняется преобразование первого сигнала в спектральное представление Фурье и преобразование второго сигнала в комплексно-сопряженное спектральное представление Фурье, получение взаимного спектра путем перемножения комплексных амплитуд гармоник полученных спектров первого и второго сигналов и последующее обратное преобразование Фурье, при этом предлагается перед обратным преобразованием Фурье произвести расширение взаимного спектра путем выравнивания модулей амплитуд его гармоник на константу, оставляющую неизменной сумму квадратов амплитуд модулей всех гармоник.
Сущность способа заключается в том, что учитываются свойства комплексного взаимного спектра. Известны свойства спектрального преобразования S для функции
f(x)•S(ω) = ∫ +∞ -∞ f(x)e-jωxdx.
Если функции f1(x) и f2(x) отличаются только сдвигом на величину d по переменной x: f2(x) = f1(x-d), то их комплексные спектры отличаются только фазовым множителем e-jωd:S1(ω) = ∫ +∞ -∞ f1(x)e-jωxdx;
Figure 00000002

Из этих соотношений видно, что модули спектральных амплитуд взаимного спектра зависят от характеристик конкретного объекта, а фазовый спектр несет в себе информацию о расстоянии. Информацию о величине сдвига d получают путем нахождения разности фаз для каждой гармоники спектров S1, S2. Разности фаз для всех гармоник можно получить в виде фазовой составляющей спектра Sв(ω), который получается умножением S1 на комплексное сопряжение спектра S2:
Sв(ω) = S1(ω)×S * 2 (ω),
где * является знаком комплексного сопряжения. Sв(ω) называется взаимным спектром сигналов f1(x) и f2(x). Комплексно-сопряженный спектр S * 2 (ω) получают путем применения обратного Фурье-преобразования к функции f2(x).
Обратное Фурье-преобразование Sв(ω) является кросскорреляционной функцией сигналов f1(x) и f2(x), которая широко используется в технических приложениях для определения величины сдвига d. Ошибка определения сдвига во многом зависит от ширины глобального максимума и от наличия и амплитуды боковых лепестков, которые всегда присутствуют около этого максимума. Ширина максимума зависит от ширины взаимного спектра, самый узкий максимум получится при равномерном спектре.
Описываемый способ предполагает получение нового спектра S(ω) путем расширения взаимного спектра (для получения узкого глобального пика после обратного преобразования) с сохранением фазового спектра, определяющего величину сдвига d. Амплитудный спектр необходимо выровнять на константу таким образом, чтобы энергия спектра S(ω) осталась равной энергии спектра Sв(ω):
Figure 00000003

При технических реализациях это условие выполнится, если S(ω) будет равномерным спектром, и сумма квадратов модулей его гармоник будет равна сумме квадратов гармоник спектра Sв(ω).
Способ может быть реализован устройством, блок-схема которого показана на фиг. 1. Схема включает блок 1 памяти для хранения выборки одномерного сигнала f1, блок 2 памяти для хранения выборки одномерного сигнала f2, блок 3 выполнения прямого Фурье-преобразования, блок 4 выполнения обратного Фурье-преобразования, блоки 5 и 6 являющимися памятью для хранения результатов работы блоков 3 и 4 соответственно (спектры S1(ω) и S * 2 (ω)), блок 7 вычисления взаимного спектра Sв(ω), путем умножения Sв(ω) = S1(ω)×S * 2 (ω), блок 8 памяти для хранения взаимного спектра, блок 9 расширения спектра путем выравнивания модулей амплитуд гармоник, блок 10 выполнения обратного Фурье-преобразования, блок 11 памяти хранения результата обработки Z.
Если входные реализации сигналов представляют собой выборки из двухмерной совокупности (например, изображения на плоскости, сдвинутые относительно друг друга), то блоки 3, 4, 10 осуществляют двухмерные Фурье-преобразования, а результат Z, хранящийся в блоке 11, есть функция двух сдвиговых аргументов. Пику функции Z соответствуют два аргумента - сдвиги по "горизонтальной" и "вертикальной" координатам.
На Фиг. 2 показана схема, реализующая способ для случая, когда один из сигналов заранее известен. Например, при активной локации излучаемый сигнал известен, поэтому на блок 1 поступает выборка сигнала отраженного целью, а в блоках 2, 4 отпадает необходимость, так как данные о сопряженном спектре излучаемого сигнала могут быть заранее сохранены в памяти блока 6.
Пример реализации способа для обнаружения сейсмических источников звуковых колебаний показан на Фиг. 3. Предполагается, что пеленгация производится тремя датчиками, не расположенными на одной прямой. Выборки данных из датчиков помещаются в память блоков 1, 2, 14, блоки 3, 3', 3'' выполняют прямое преобразование Фурье, 4, 4', 4'' выполняют обратное преобразование, 5, 5', 5'' хранят прямые спектры, 6, 6', 6'' хранят комплексно-сопряженные спектры, 7, 7', 7'' вычисляют взаимные спектры, 8, 8', 8'' хранят взаимные спектры, 9, 9', 9'' расширяют взаимные спектры, 10, 10', 10'' производят обратное преобразование Фурье, блоки 11, 12, 13 хранят результаты обработки для всевозможных пар датчиков. По полученным результатам определяются взаимные задержки сигналов для каждой пары датчиков, и местоположение источника на плоскости определяется в точке пересечения гиперболических линий, соответствующих полученным задержкам.
Реализация способа поясняется следующими примерами.
Пример 1 (Фиг.1). Обнаружение и оценка координат источника звука в трубопроводе. Z есть функция времени относительной задержки сигнала от источника до датчиков (микрофонов). Временная задержка индицируется по положению глобального максимума результата обработки Z с точностью, зависящей от ширины максимума. Зная время задержки сигнала и скорость распространения сигнала в среде трубопровода, определяют координаты источника. На Фиг. 4 одновременно показаны кросскорреляционная функция (слева) и функция Z, полученная по предлагаемому способу (справа) для случая, когда звуковой сигнал распространялся в линейной среде со скоростью 5000 м/сек. Результат Z четко указывает на то, что источник звука находится на отметке 585.4 м. Функция кросскорреляции имеет гораздо более широкий центральный пик, что обуславливает худшую точность локации местоположения источника колебаний.
Пример 2 (Фиг. 1). Определение координатного дрейфа над динамическим, случайно-неоднородным рельефом по наблюдениям изменения картины рельефа. Пусть некоторый летающий аппарат "висит" над облачным покровом, и измерительная аппаратура находится на борту аппарата. Стоит задача отслеживать координатный дрейф аппарата на основании визуальных наблюдений подстилающей облачности. Данными являются последовательная пара кадров визуальных изображений облачности. В этом случае выборки f1 и f2 являются яркостными функциями, зависящими от двух пространственных координат. Разумеется преобразования Фурье в блоках обработки в этих случаях двухмерные. Выход обработчика является функцией координатного сдвига. Координатный сдвиг индицируется по положению максимума результата обработки с точностью, зависящей от ширины глобального максимума.
Пример 3 (Фиг.2). Активная локация. Выборка f1 - это отраженный от цели сигнал, принятый антенной. Выборка f2 - это опорный сигнал (т.е. сигнал, излученный в сторону цели). Выходной результат блока обработки в момент максимума (превышающий некоторый порог) указывает на факт наличия цели. Ширина центрального пика максимума определяет точность измерения момента прихода на антенну отраженного сигнала и, следовательно, дальность до цели. Если форма сигнала известна заранее (сигнал не шумоподобный), то можно сразу в блок обработки ввести комплексно сопряженный спектр опорного сигнала; в этом случае отпадет нужда в осуществлении Фурье-преобразования для реализации сигнала f2. Подобным образом обработку осуществляет линейное устройство, известное под названием "согласованный фильтр". Устройство, применяющее предлагаемый метод обработки, является "нелинейным согласованным фильтром".
Пример 4 (Фиг. 3). Пассивная локация сейсмического источника. Пусть где-то имеется сейсмический постоянно действующий источник на фоне посторонних сравнительно кратковременных шумов. При достаточно большом времени наблюдения можно определить координаты постоянного источника на земной поверхности (т. е. всего 2 координаты). Для таких измерений устанавливают не менее трех датчиков, не лежащих на одной линии. Если есть уверенность, что источник лежит строго вне или строго внутри треугольника, по вершинам которого стоят датчики, то для оценки поверхностных координат нужно 3 датчика. Для оценки пространственных координат необходимо 4 некомпланарных датчика. В данном примере количество полученных реализаций разумеется равно количеству датчиков. При помощи предлагаемой обработки измеряют относительные задержки для всех пар датчиков. На основании известных времен задержек вычисляют координаты источника.

Claims (1)

  1. Способ обработки данных для обнаружения источника излучения, включающий преобразование первого сигнала в спектр Фурье и преобразование второго сигнала в комплексно-сопряженный спектр Фурье, получение взаимного спектра путем перемножения комплексных амплитуд гармоник полученных спектров первого и второго сигналов и последующее обратное преобразование Фурье взаимного спектра, отличающийся тем, что перед обратным преобразованием Фурье взаимный спектр подвергают расширению путем выравнивания модулей амплитуд его гармоник на константу, оставляющую неизменной сумму квадратов амплитуд модулей всех гармоник.
RU99109821A 1999-05-11 1999-05-11 Способ овчинникова обработки данных для обнаружения источника излучения RU2144209C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU99109821A RU2144209C1 (ru) 1999-05-11 1999-05-11 Способ овчинникова обработки данных для обнаружения источника излучения

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU99109821A RU2144209C1 (ru) 1999-05-11 1999-05-11 Способ овчинникова обработки данных для обнаружения источника излучения

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2144209C1 true RU2144209C1 (ru) 2000-01-10

Family

ID=20219669

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU99109821A RU2144209C1 (ru) 1999-05-11 1999-05-11 Способ овчинникова обработки данных для обнаружения источника излучения

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2144209C1 (ru)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7034740B2 (en) Method and apparatus for identifying buried objects using ground penetrating radar
Lee et al. The array invariant
Kniffin et al. Performance metrics for depth-based signal separation using deep vertical line arrays
US8576657B1 (en) Method for calibrating a plurality of data channels in a vector sensor
Muggleton et al. A shear wave ground surface vibration technique for the detection of buried pipes
CN104133217A (zh) 一种水下运动目标与水流的三维速度联合测定方法及装置
CA1258536A (en) Method and apparatus for combining waveforms
US6940446B2 (en) System and methods for obtaining ground conductivity information using GPR data
Yang et al. Analysis on the characteristic of cross-correlated field and its potential application on source localization in deep water
Zheng et al. Matched beam-intensity processing for a deep vertical line array
Papandreou et al. On the detection of objects buried at a shallow depth using seismic wave reflections
Park et al. Localization of a sound source in a noisy environment by hyperbolic curves in quefrency domain
JP2009186449A (ja) 2次元画像データ生成方法及び探査装置
John et al. Differential ultrasonic detection of small objects for underwater applications
Flückiger et al. Optimization of receiver arrangements for passive emitter localization methods
RU2144209C1 (ru) Способ овчинникова обработки данных для обнаружения источника излучения
CN106066472B (zh) 一种二维振速梯度水听器的被动目标相关检测方法
JPH0361915B2 (ru)
JP2007163271A (ja) 地中レーダ画像処理法
Morley et al. Array element localization using ship noise
RU2559310C2 (ru) Способ оценки дистанции до шумящего в море объекта
Thong-un et al. Three-dimensional position and velocity measurements using a pair of linear-period-modulated ultrasonic waves
RU2739478C1 (ru) Способ обработки псевдошумового сигнала в гидролокации
RU2798390C1 (ru) Способ пассивного определения координат шумящего объекта
WO2018229030A1 (en) Method for calculating a position and possibly mapping of a space-related variable by means of acoustic signals and corresponding apparatus for implementing the method