RU2487367C2 - Method and apparatus for fast computation of signal uncertainty function based on reverberation interference - Google Patents

Method and apparatus for fast computation of signal uncertainty function based on reverberation interference Download PDF

Info

Publication number
RU2487367C2
RU2487367C2 RU2009122422/28A RU2009122422A RU2487367C2 RU 2487367 C2 RU2487367 C2 RU 2487367C2 RU 2009122422/28 A RU2009122422/28 A RU 2009122422/28A RU 2009122422 A RU2009122422 A RU 2009122422A RU 2487367 C2 RU2487367 C2 RU 2487367C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
output
input
fourier transform
fast fourier
signal
Prior art date
Application number
RU2009122422/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2009122422A (en
Inventor
Николай Григорьевич Ковалевский
Александр Александрович Блынский
Дмитрий Александрович Бескин
Алексей Вячеславович Сапрыкин
Original Assignee
Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военный учебно-научный центр Военно-Морского Флота "Военно-морская академия имени Адмирала Флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова"
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 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военный учебно-научный центр Военно-Морского Флота "Военно-морская академия имени Адмирала Флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова" filed Critical Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военный учебно-научный центр Военно-Морского Флота "Военно-морская академия имени Адмирала Флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова"
Priority to RU2009122422/28A priority Critical patent/RU2487367C2/en
Publication of RU2009122422A publication Critical patent/RU2009122422A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2487367C2 publication Critical patent/RU2487367C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Complex Calculations (AREA)
  • Radar Systems Or Details Thereof (AREA)
  • Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

FIELD: radio engineering, communication.
SUBSTANCE: apparatus for calculating a signal uncertainty function based on reverberation interference has an analogue-to-digital converter whose output is connected to the input of a recirculator, the output of which is connected to the input of a fast Fourier transform computer, the output of which is connected to the first input of a multiplier unit. The apparatus further includes: a negative frequency nulling unit, the input of which is the output of the fast Fourier transform computer, and the output is connected to the first input of the multiplier unit; read-only memory, the output of which is connected to the second input of the multiplier unit, the output of which is the input of a unit for calculating two-dimensional inverse fast Fourier transform, the output of which is connected to the input of a squared modulus computer, the output of which is the output of the apparatus; a control device whose outputs are connected to control inputs of the analogue-to-digital converter, the fast Fourier transform computer, the multiplier, the unit for calculating two-dimensional inverse fast Fourier transform and the squared modulus computer.
EFFECT: high noise-immunity of detecting signals on the background of reverberation interference.
3 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к области гидролокации и радиолокации, а именно к способам согласованной фильтрации сигналов на фоне реверберационной помехи и реализующим их устройствам, а также может быть использовано в радио- и гидролокационных системах при определении координат и параметров движения цели (КПДЦ).The present invention relates to the field of sonar and radar, and in particular to methods for coordinated filtering of signals against a background of reverberation noise and devices that implement them, and can also be used in radio and sonar systems to determine the coordinates and parameters of target movement (KPDTS).

Как правило, в гидролокационных системах при корреляционной обработке учитываются дальность [1, 2, 3, 4, 5], радиальная скорость цели. На практике разрешающая способность локационной системы анализируется на основе функции неопределенности (ФН) Вудворда. В основе такого анализа лежит допущение о постоянстве скорости цели в пределах длительности сигнала и пренебрежимо малых искажениях модулирующей функции. Так в работе [6] приведена допустимая доплеровская расстройка в гидролокаторе. Приближенно полагают, что можно использовать аппроксимацию эффекта Доплера простым сдвигом спектра при выполнении условия 2 ν c T W < 0.1

Figure 00000001
, где ν - скорость объекта, с - скорость распространения сигнала, Т - длительность излучаемого сигнала, W - ширина полосы частот излучаемого сигнала.As a rule, in sonar systems, correlation processing takes into account the range [1, 2, 3, 4, 5], the radial velocity of the target. In practice, the resolution of a location system is analyzed based on the uncertainty function (FN) of Woodward. The basis of this analysis is the assumption that the speed of the target is constant within the signal duration and negligible distortion of the modulating function. So in work [6] the permissible Doppler detuning in a sonar is given. It is roughly believed that the approximation of the Doppler effect can be used by a simple shift of the spectrum when the condition 2 ν c T W < 0.1
Figure 00000001
where ν is the speed of the object, s is the speed of propagation of the signal, T is the duration of the emitted signal, W is the bandwidth of the emitted signal.

Известно, что реализация оптимального приема при решении задачи обнаружения сигналов на фоне реверберационных помех во многом определяется уровнем знаний априорной информации о принимаемом сигнале [7].It is known that the implementation of optimal reception when solving the problem of detecting signals against a background of reverberation noise is largely determined by the level of knowledge of a priori information about the received signal [7].

Поэтому принятый эхо-сигнал y(t) выражается в виде свертки излученного импульса s(t) с импульсной характеристикой среды и цели h(t). Таким образом,Therefore, the received echo signal y (t) is expressed as a convolution of the emitted pulse s (t) with the impulse response of the medium and target h (t). In this way,

y ( t ) = s ( t ) * h ( t ) . ( 1 )

Figure 00000002
y ( t ) = s ( t ) * h ( t ) . ( one )
Figure 00000002

Поскольку число рассеивателей и их сила для любого момента времени при формировании реверберации являются функциями расстояния, то и среднее значение, и дисперсия, связанные с огибающей, также будут функциями расстояния, т.е. зависят от времени.Since the number of scatterers and their strength for any moment in the formation of reverberation are functions of distance, both the average value and the variance associated with the envelope will also be functions of distance, i.e. depend on time.

Спектральная плотность реверберационной помехи является нестационарной функцией времени и частоты N(f, t) и с точностью до переменной во времени мощности может быть приближенно записанаThe spectral density of the reverberation noise is a non-stationary function of time and frequency N (f, t) and, up to a time-variable power, can be approximately written

N ( f , t ) = P ( t ) | S ( f ) | 2 , ( 2 )

Figure 00000003
N ( f , t ) = P ( t ) | S ( f ) | 2 , ( 2 )
Figure 00000003

где S(f) - спектральная плотность сигнала,where S (f) is the spectral density of the signal,

P(t) - мощность реверберации.P (t) is the reverb power.

Так как спектральная плотность - это математическое ожидание значения квадрата амплитуды sR(t) в частотной области, тоSince the spectral density is the mathematical expectation of the value of the square of the amplitude s R (t) in the frequency domain, then

N ( t ) = | S ( f ) | 2 K σ a n 2 ,

Figure 00000004
N ( t ) = | S ( f ) | 2 K σ a n 2 ,
Figure 00000004

где K - число рассеивающих элементов.where K is the number of scattering elements.

Из выражения (2) следует, что спектральная плотность реверберации, принятая из ограниченного интервала, имеет тот же вид, что и спектр мощности излученного сигнала. Изменение амплитуды реверберации зависит от изменения расстояния до объекта. Вследствие эффекта Доплера частота принятого сигнала от элемента рассеяния сдвинута на величину, пропорциональную радиальной скорости цели относительно радио- или гидроакустической станции. Учитывая сигналы, принятые из кольцевой зоны с центром, совпадающие с местом движущейся радиолокационной или гидроакустической станции, получаем при этом, что доплеровское смещение лежит в пределах от 2V/λ0 до -2V/λ0, где V - относительная скорость цели, λ0 - длина волны несущей частоты сигнала.From the expression (2) it follows that the spectral density of the reverb, taken from a limited interval, has the same form as the power spectrum of the emitted signal. A change in the reverberation amplitude depends on a change in the distance to the object. Due to the Doppler effect, the frequency of the received signal from the scattering element is shifted by a value proportional to the radial velocity of the target relative to the radio or hydroacoustic station. Given the signals received from the ring zone with the center coinciding with the location of a moving radar or sonar station, we get that the Doppler shift lies in the range from 2V / λ 0 to -2V / λ 0 , where V is the relative speed of the target, λ 0 - wavelength of the carrier frequency of the signal.

Отсюда следует, что для зондирующего сигнала с шириной полосы частот, малой по сравнению с несущей, спектр принятого сигнала от одиночного рассеивателя приблизительно повторяет спектр зондирующего сигнала, сдвинутого по частоте на величину доплеровского смещения fd=2V/λ0, где V - относительная радиальная составляющая скорости, λ0 - длина волн, соответствующая несущей частоте излученного сигнала.It follows that for a probing signal with a bandwidth that is small compared to the carrier, the spectrum of the received signal from a single scatterer approximately repeats the spectrum of the probing signal shifted in frequency by the value of the Doppler shift f d = 2V / λ 0 , where V is the relative radial velocity component, λ 0 is the wavelength corresponding to the carrier frequency of the emitted signal.

Таким образом, спектр принятого сигнала является суммой спектров от отдельных рассеивателей с весом, определенным квадратом взаимной характеристики направленности [7]. Доплеровское смещение в пределах ширины характеристики направленности приводит к уширению спектра принятого сигнала.Thus, the spectrum of the received signal is the sum of the spectra from individual scatterers with a weight determined by the square of the mutual directivity [7]. Doppler shift within the width of the directivity leads to a broadening of the spectrum of the received signal.

В диапазоне от f0+2V/λ0 до f0-2V/λ0 мощность реверберационной помехи уменьшается на величину, определяемую уровнем бокового поля характеристики направленности. Поскольку величина доплеровского смещения не может превосходить 2V/λ, спектр на частотах выше f0+2V/λ0 определяется, прежде всего, формой спектра зондирующего импульса с центром на частоте f0+2V/λ.In the range from f 0 + 2V / λ 0 to f 0 -2V / λ 0, the power of the reverberation noise decreases by an amount determined by the level of the lateral field of the directivity characteristic. Since the Doppler shift cannot exceed 2V / λ, the spectrum at frequencies above f 0 + 2V / λ 0 is determined primarily by the shape of the spectrum of the probe pulse centered at f 0 + 2V / λ.

Близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является система CAVORT [8] (система обработки эхо-сигналов от целей [9, 10, 11, 12]). Эта система работает следующим образом: принятые импульсы пропускают через линию задержки (ЛЗ) на промежуточной частоте с общим числом отводов N. Эти отводы соединены с двумя рядами смесителей. Верхний ряд смесителей производит частотные сдвиги fν, 2fν, …, (N-1)fν. Получающиеся сдвиги в любой момент времени характеризуют относительную скорость цели. Подстройка этого согласования под цели, испытывающие ускорение движения, достигается дальнейшим сдвигом, обеспечиваемым вторым рядом смесителей.Close in technical essence to the proposed invention is the CAVORT system [8] (a system for processing echo signals from targets [9, 10, 11, 12]). This system works as follows: the received pulses are passed through a delay line (LZ) at an intermediate frequency with a total number of taps N. These taps are connected to two rows of mixers. The upper row of mixers produces frequency shifts fν, 2fν, ..., (N-1) fν. The resulting shifts at any time characterize the relative speed of the target. Adjustment of this coordination for targets experiencing acceleration of movement is achieved by a further shift provided by the second row of mixers.

Недостатком способа является сложность его технической реализации, т.к. требуемое число фильтров при этом очень велико и составляет несколько сотен. С учетом пространственной обработки это требует очень больших вычислительных затрат.The disadvantage of this method is the complexity of its technical implementation, because the required number of filters is very large and amounts to several hundred. Given the spatial processing, this requires a very large computational cost.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ согласованной фильтрации принятого сигнала [13].Closest to the proposed invention is a method of matched filtering of the received signal [13].

Рассмотренный способ позволяет выделить сигнал при наличии помехи в условиях доплеровского эффекта. Суть способа состоит в следующем. В среду излучают зондирующий импульс. Входная реализация и эталон перемножаются между собой y ( t ) s ( t ) ¯

Figure 00000005
, где - - представляет собой символ комплексного сопряжения. К результату перемножения применяется преобразование Фурье, в результате которого получают спектральную взаимно корреляционную функцию (ВКФ) вида:The considered method makes it possible to isolate a signal in the presence of interference under the conditions of the Doppler effect. The essence of the method is as follows. A probe pulse is emitted into the medium. The input implementation and the reference are multiplied among themselves y ( t ) s ( - t ) ¯
Figure 00000005
where - - is a symbol for complex pairing. The Fourier transform is applied to the result of multiplication, as a result of which a spectral cross-correlation function (CCF) of the form is obtained:

R y s ( f ) = + Y ( f 1 ) S ( f 1 f ) d f 1 ¯ , ( 3 )

Figure 00000006
R y s ( f ) = - + Y ( f one ) S ( f one - f ) d f one ¯ , ( 3 )
Figure 00000006

где f - частотный сдвиг эхо-сигнала вследствие эффекта Доплера.where f is the frequency shift of the echo due to the Doppler effect.

Результирующий отклик корреляционной функции сравнивается с пороговым напряжением. Обработка производится в реальном масштабе времени, т.е. отсчеты входной реализации обновляются в соответствии с теоремой Котельникова. Превышение порогового значения происходит в момент компенсации задержки τ=0. При этом принимается решение об обнаружении цели, а сам момент будет соответствовать дистанции до цели. Рассмотренный способ является оптимальным с точки зрения отношения сигнал/помеха для детерминированного сигнала в условиях «белого» шума. В технических решениях вместо (3) рассматривают функционал:The resulting response of the correlation function is compared with a threshold voltage. Processing is carried out in real time, i.e. samples of the input implementation are updated in accordance with the Kotelnikov theorem. Exceeding the threshold value occurs at the time of delay compensation τ = 0. In this case, a decision is made to detect the target, and the moment itself will correspond to the distance to the target. The considered method is optimal from the point of view of signal-to-noise ratio for a deterministic signal in the conditions of "white" noise. In technical solutions, instead of (3), the functional is considered:

R y s ( t , f ) = + Y ( f 1 ) S ( f 1 f ) ¯ exp ( i 2 π f 1 t ) d f 1 ( 4 )

Figure 00000007
R y s ( t , f ) = - + Y ( f one ) S ( f one - f ) ¯ exp ( i 2 π f one t ) d f one ( four )
Figure 00000007

Ввиду большой практической важности выражение (4) определяют как взаимную функцию неопределенности, для вычисления которой находят результат обратного преобразования Фурье от перемножения спектра входной реализации и сдвинутых спектров эталонного сигнала.In view of the great practical importance, expression (4) is defined as the mutual uncertainty function, for the calculation of which the result is the inverse Fourier transform of multiplying the spectrum of the input implementation and the shifted spectra of the reference signal.

Данное правило (4) решает задачу согласованной фильтрации при наличии сдвига и доплеровского эффекта в условиях «белого шума». Однако в гидролокационных системах кроме воздействия шума среды необходимо учитывать влияние реверберационной помехи. Не учет данного влияния проявляется в снижении помехоустойчивости системы фильтрации.This rule (4) solves the problem of coordinated filtering in the presence of a shift and a Doppler effect in the conditions of “white noise”. However, in sonar systems, in addition to the effects of environmental noise, it is necessary to take into account the effect of reverberation noise. Failure to take into account this effect is manifested in a decrease in the noise immunity of the filtration system.

Выражение (4) предполагает вычисление свертки прямым методом, основанным на произведении многочленов и содержащим большое количество операций, равное произведению степеней этих многочленов.Expression (4) involves the calculation of convolution by a direct method based on the product of polynomials and containing a large number of operations equal to the product of the degrees of these polynomials.

Целью предлагаемого изобретения является:The aim of the invention is:

1) повышение быстродействия вычисления взаимной функции неопределенности;1) increasing the speed of computing the mutual function of uncertainty;

2) повышение помехоустойчивости системы фильтрации за счет учета влияния реверберационной помехи.2) increasing the noise immunity of the filtering system by taking into account the effect of reverberation noise.

Поставленная цель достигается применением быстрых алгоритмов и формированием для вычисления взаимной функции неопределенности эталонного сигнала с учетом априорных данных о спектральной плотности реверберационной помехи.This goal is achieved by applying fast algorithms and forming a reference signal for calculating the mutual uncertainty function taking into account a priori data on the spectral density of the reverberation noise.

1. Способ быстрого вычисления функции неопределенности сигналов с учетом реверберационной помехи1. A method for quickly calculating the uncertainty function of signals taking into account reverberation interference

Суть способа состоит в следующем. Оптимальным обнаружителем детерминированного сигнала на фоне аддитивной помехи является согласованный фильтр, имеющий частотную характеристику вида [7]:The essence of the method is as follows. The optimal detector of a deterministic signal against the background of additive interference is a matched filter having a frequency response of the form [7]:

H ( f , t ) = S ( f ) ¯ N ( f , t )

Figure 00000008
, H ( f , t ) = S ( f ) ¯ N ( f , t )
Figure 00000008
,

где S(f) - комплекснозначная спектральная плотность сигнала,where S (f) is the complex-valued spectral density of the signal,

N(f, t) - энергетическая спектральная характеристика помехи.N (f, t) is the energy spectral characteristic of the noise.

Однако при наличии доплеровского эффекта реверберационной отклик согласованного фильтра [14, 12] определяется в виде:However, in the presence of the Doppler effect, the reverberation response of the matched filter [14, 12] is defined as:

Θ ( t , f ) = | Y ( f 1 ) S ( f 1 f ) ¯ N ( f 1 , t ) exp ( i 2 π f 1 t ) d f 1 | 2 . ( 5 )

Figure 00000009
Θ ( t , f ) = | - Y ( f one ) S ( f one - f ) ¯ N ( f one , t ) exp ( i 2 π f one t ) d f one | 2 . ( 5 )
Figure 00000009

При условии Y(f)=S(f) для значений t=0 и f=0 значение взаимной функции неопределенности достигает максимума, который равен:Under the condition Y (f) = S (f) for the values t = 0 and f = 0, the value of the mutual uncertainty function reaches a maximum, which is equal to:

K ( 0,0 ) = | | S ( f 1 ) | 2 N ( f 1 ,0 ) d f 1 | 2 . ( 6 )

Figure 00000010
K ( 0,0 ) = | | S ( f one ) | 2 N ( f one 0 ) d f one | 2 . ( 6 )
Figure 00000010

В операторе (5) спектр эталонного сигнала S ( f 1 f ) ¯

Figure 00000011
можно представить:In the operator (5), the spectrum of the reference signal S ( f one - f ) ¯
Figure 00000011
can be imagined:

S ( f 1 f ) ¯ = F t 1 { s ( t 1 ) ¯ exp ( i 2 π f t 1 ) } . ( 7 )

Figure 00000012
S ( f one - f ) ¯ = F t one { s ( - t one ) ¯ exp ( i 2 π f t one ) } . ( 7 )
Figure 00000012

Подставляя выражение (7) в выражение (5), получим:Substituting expression (7) into expression (5), we obtain:

Θ ( t , f ) = | Y ( f 1 ) F t 1 { s ( t 1 ) ¯ exp ( i 2 π f t 1 ) } N ( f 1 , t ) exp ( i 2 π f 1 t ) d f 1 | 2 ( 8 )

Figure 00000013
Θ ( t , f ) = | - Y ( f one ) F t one { s ( - t one ) ¯ exp ( i 2 π f t one ) } N ( f one , t ) exp ( i 2 π f one t ) d f one | 2 ( 8 )
Figure 00000013

Запишем (8) с помощью обратного преобразования Фурье по f1:We write (8) using the inverse Fourier transform with respect to f 1 :

Θ ( t , f ) = | F f 1 1 F t 1 ( s ( t 1 ) ¯ Y ( f 1 ) N ( f 1 , t ) exp ( i 2 π f t 1 ) ) | 2 . ( 9 )

Figure 00000014
Θ ( t , f ) = | F f one - one F t one ( s ( - t one ) ¯ Y ( f one ) N ( f one , t ) exp ( i 2 π f t one ) ) | 2 . ( 9 )
Figure 00000014

Выражение (9) позволяет сформировать способ быстрого вычисления взаимной функции неопределенности с учетом реверберационной помехи и является основой для предлагаемого способа обнаружения сигналов при наличии реверберационной помехи.Expression (9) allows you to create a way to quickly calculate the mutual uncertainty function taking into account the reverberation noise and is the basis for the proposed method for detecting signals in the presence of reverberation noise.

Из анализа соотношения (9) можно сделать вывод, что для формирования отклика взаимной функции неопределенности необходимо получить результат перемножения инвертированного и сопряженного эталонного сигнала, спектральной характеристики входной реализации, массива двухмерных экспонент, деление результата перемножения на сформированную энергетическую спектральную характеристику реверберации:From an analysis of relation (9), we can conclude that in order to generate the response of the mutual uncertainty function, it is necessary to obtain the result of multiplying the inverted and conjugate reference signal, the spectral characteristics of the input implementation, an array of two-dimensional exponentials, dividing the result of multiplication by the generated energy spectral characteristic of the reverberation:

R ( t 1 , t , f 1 , f ) = s ( t 1 ) ¯ Y ( f 1 ) exp ( i 2 π f t 1 ) / N ( f 1 , t )

Figure 00000015
R ( t one , t , f one , f ) = s ( - t one ) ¯ Y ( f one ) exp ( i 2 π f t one ) / N ( f one , t )
Figure 00000015

и применение к результату деления R(t1, t, f1, f) обратного и прямого преобразований Фурье по переменным f1, t1.and applying to the result of dividing R (t 1 , t, f 1 , f) the inverse and direct Fourier transforms in the variables f 1 , t 1 .

Таким образом, применение для вычисления функции неопределенности сигналов с учетом реверберационной помехи только операций умножения и быстрых алгоритмов вычисления преобразований Фурье позволяет производить вычисления более эффективно, чем вычисления взаимной функции неопределенности в соответствии с алгоритмом, записанным формулой (4).Thus, the use of only multiplication operations and fast algorithms for calculating Fourier transforms to calculate the signal uncertainty function taking into account the reverberation noise allows us to perform calculations more efficiently than calculating the mutual uncertainty function in accordance with the algorithm written by formula (4).

Способ вычисления функции неопределенности сигналов с учетом реверберационной помехи включает в себя следующие операции:The method for calculating the signal uncertainty function taking into account reverberation noise includes the following operations:

1. Вычисление спектра Фурье Y(f1) принятой реализации y(t1) и обнуление отрицательных частот (преобразование его в спектр аналитического сигнала): YA(f1)=Y(f), при f>0 и YA(f1)=0 при f≤0.1. Calculation of the Fourier spectrum Y (f 1 ) of the adopted realization y (t 1 ) and zeroing the negative frequencies (converting it to the spectrum of the analytical signal): Y A (f 1 ) = Y (f), for f> 0 and Y A ( f 1 ) = 0 for f≤0.

2. Формирование (или извлечение из памяти заранее рассчитанного) двухмерного массива экспонент E(f, t1)=ехр(i2πft1).2. The formation (or extraction from the memory of a previously calculated) two-dimensional array of exponentials E (f, t 1 ) = exp (i2πft 1 ).

3. Формирование (или извлечение из памяти заранее смоделированной) спектральной плотности реверберации N(f1, t).3. The formation (or extraction from the memory of a pre-simulated) spectral density of the reverberation N (f 1 , t).

4. Комплексное сопряжение и отражение от нуля s ( t 1 ) ¯

Figure 00000016
эталонного сигнала s(t1).4. Integrated pairing and reflection from zero s ( - t one ) ¯
Figure 00000016
reference signal s (t 1 ).

5. Перемножение сопряженного эталонного сигнала s ( t 1 ) ¯

Figure 00000017
, экспонент Е(f, t1) и сформированной энергетической спектральной характеристикой реверберации N(f1, t).5. Multiplication of the conjugate reference signal s ( - t one ) ¯
Figure 00000017
, exponent E (f, t 1 ) and the generated energy spectral reverberation characteristic N (f 1 , t).

6. Обратное двухмерное преобразование Фурье по t1 и f1:6. The inverse two-dimensional Fourier transform with respect to t 1 and f 1 :

R ( t , f ) = F f 1 1 F t 1 ( s ( t 1 ) ¯ Y ( f 1 ) N ( f 1 , t ) exp ( i 2 π f t 1 ) )

Figure 00000018
. R ( t , f ) = F f one - one F t one ( s ( - t one ) ¯ Y ( f one ) N ( f one , t ) exp ( i 2 π f t one ) )
Figure 00000018
.

7. Квадратичное детектирование результата обратного двухмерного преобразования Фурье (вычисление квадрата модуля | R ( t , f ) | 2

Figure 00000019
):7. Quadratic detection of the result of the inverse two-dimensional Fourier transform (calculation of the square of the module | R ( t , f ) | 2
Figure 00000019
):

Θ ( t , f ) = | F f 1 1 F t 1 ( s ( t 1 ) ¯ Y ( f 1 ) N ( f 1 , t ) exp ( i 2 π f t 1 ) ) | 2 .

Figure 00000020
Θ ( t , f ) = | F f one - one F t one ( s ( - t one ) ¯ Y ( f one ) N ( f one , t ) exp ( i 2 π f t one ) ) | 2 .
Figure 00000020

Операции 2-5 не требуют наличия входной реализации, и, следовательно, могут быть проведены заранее, а результаты расчетов храниться в постоянных запоминающих устройствах (ПЗУ).Operations 2-5 do not require an input implementation, and, therefore, can be carried out in advance, and the calculation results are stored in read-only memory (ROM).

Применение дополнительных по сравнению с прототипом операций для обнаружения сигналов при наличии доплеровского эффекта и реверберационной помехи позволило получить положительные эффекты, заключающиеся в повышении помехоустойчивости обнаружения сигналов, увеличении эффективности вычисления двухмерного отклика согласованного фильтра.The use of additional compared with the prototype operations for signal detection in the presence of the Doppler effect and reverberation interference allowed to obtain positive effects, which include increasing the noise immunity of signal detection, increasing the efficiency of calculating the two-dimensional response of a matched filter.

Для проверки работы предлагаемого способа было проведено моделирование в системе MathCad. Результат моделирования без учета влияния реверберационной помехи представлен на фиг.1, а с учетом влияния реверберационной помехи на фиг.2.To verify the operation of the proposed method, modeling was performed in the MathCad system. The simulation result without taking into account the effect of reverberation noise is presented in figure 1, and taking into account the influence of reverberation noise in figure 2.

Предложенный способ согласованной фильтрации в условиях влияния реверберационной помехи позволяет получить выигрыш в помехоустойчивости до 6 Дб.The proposed method of coordinated filtering under the influence of reverberation noise allows to obtain a gain in noise immunity up to 6 dB.

2. Устройство быстрого вычисления функции неопределенности сигналов с учетом реверберационной помехи2. Device for quickly calculating the function of signal uncertainty taking into account reverberation interference

Устройство, реализующее предлагаемый способ обнаружения сигналов на фоне реверберационной помехи, приведено на фиг.3. Устройство содержит в себе следующие блоки:A device that implements the proposed method for detecting signals against a background of reverberation noise is shown in Fig.3. The device contains the following blocks:

1) блок 1 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);1) block 1 - analog-to-digital Converter (ADC);

2) блок 2 - рециркулятор;2) block 2 - recirculator;

3) блок 3 - вычислитель БПФ,3) block 3 - FFT calculator,

4) блок 4 - формирователь аналитического сигнала (устройство обнуления отрицательных частот),4) block 4 - shaper analytical signal (device zeroing negative frequencies),

5) блок 5 - ПЗУ,5) block 5 - ROM,

6) блок 6 - комплексный перемножитель,6) block 6 - complex multiplier,

7) блок 7 - вычислитель обратного двухмерного БПФ,7) block 7 - calculator inverse two-dimensional FFT,

8) блок 8 - вычислитель квадрата модуля,8) block 8 - calculator square module,

9) блок 9 - управляющее устройство.9) block 9 - control device.

Блок аналого-цифровой преобразователя 1 предназначен для представления принятой реализации в цифровой форме.Block analog-to-digital Converter 1 is intended to represent the adopted implementation in digital form.

Блок рециркулятора 2 предназначен для хранения выходных отсчетов АЦП (блок 1).The recirculator block 2 is designed to store the output samples of the ADC (block 1).

Блок быстрого преобразования Фурье (БПФ) 3 предназначен для нахождения спектра сигнала и широко распространен в цифровой обработке сигналов [15].The Fast Fourier Transform Unit (FFT) 3 is designed to find the signal spectrum and is widely used in digital signal processing [15].

Блок формирования аналитического сигнала 4 предназначен для обнуления отсчетов БПФ, номера которых больше половины длины выборки.The analytical signal generating unit 4 is intended for zeroing the FFT samples, the numbers of which are more than half the sample length.

Блок постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) 5 предназначен для хранения массива значений результата перемножений комплексно-сопряженного эталонного процесса, массива экспонент и оценки спектральной плотности реверберационной помехи.Permanent memory unit (ROM) 5 is designed to store an array of values of the results of multiplication of the complex conjugate reference process, an array of exponentials and the spectral density of the reverberation noise.

Блок комплексного перемножения 6 предназначен для перемножения отсчетов спектра принятой реализации со значениями хранящихся в ПЗУ.The complex multiplication block 6 is designed to multiply the spectrum samples of the adopted implementation with the values stored in ROM.

Блок обратного быстрого двухмерного преобразования Фурье (БПФ) 7 предназначен для нахождения отсчетов сигнала во временной области и широко распространен в цифровой обработке сигналов [16].The inverse fast two-dimensional Fourier transform (FFT) block 7 is designed to find signal samples in the time domain and is widely used in digital signal processing [16].

Блок вычислителя квадрата модуля 8 предназначен для возведения в степень 2 значений отсчетов с выхода блока 7.Block calculator square module 8 is designed to raise to a power of 2 values of samples from the output of block 7.

Блок управляющего устройства 9 предназначен для синхронной работы всех блоков.The block of the control device 9 is designed for synchronous operation of all blocks.

Принцип действия устройства заключается в следующем. Реализация входного процесса x(t) поступает на вход АЦП (блок 1) с частотойThe principle of operation of the device is as follows. The implementation of the input process x (t) is input to the ADC (block 1) with a frequency

дискретизации, удовлетворяющей требованиям теоремы Котельникова:discretization satisfying the requirements of the Kotelnikov theorem:

f = 1 Δ t 2 f в

Figure 00000021
. f = one Δ t 2 f at
Figure 00000021
.

С выхода АЦП (блок 1) дискретные отсчеты поступают на вход рециркулятора (блок 2), где формируется и с каждым новым отсчетом обновляется текущая дискретная выборка s(n) длиной N-отсчетов. Длина выборки N определяется длительностью излучаемого сигнала и интервалом дискретизации: N = T S Δ t

Figure 00000022
. Сформированная, текущая дискретная выборка входного процесса s(n) поступает на вход вычислителя БПФ (блок 3), с выхода которого комплексный спектр S(n) поступает на вход блока формирования аналитического сигнала (блок 4), с выхода которого поступает на вход комплексного перемножителя (блок 6), на другой вход которого поступает вычисленный заранее аналитический эталонный сигнал, хранящийся в ПЗУ (блок 5). Результат перемножения поступает на вход вычислителя обратного двухмерного БПФ (блок 7). С выхода вычислителя обратного двухмерного БПФ (блок 7) результат поступает на вход вычислителя квадрата модуля (блок 8), выход которого является выходом устройства.From the output of the ADC (block 1), discrete samples are fed to the input of the recirculator (block 2), where the current discrete sample s (n) with the length of N-samples is generated and updated with each new sample. The sample length N is determined by the duration of the emitted signal and the sampling interval: N = T S Δ t
Figure 00000022
. The generated, current discrete sample of the input process s (n) is fed to the input of the FFT calculator (block 3), from the output of which the complex spectrum S (n) is fed to the input of the analytical signal generating unit (block 4), from the output of which goes to the input of the complex multiplier (block 6), the other input of which receives the calculated in advance analytical reference signal stored in the ROM (block 5). The result of the multiplication is fed to the input of the inverse two-dimensional FFT calculator (block 7). From the output of the inverse two-dimensional FFT calculator (block 7), the result is fed to the input of the module square calculator (block 8), the output of which is the output of the device.

Устройство управления (блок 9) осуществляет синхронизацию работы аналого-цифрового преобразователя (блок 1), рециркулятора (блок 2), блока вычислителя быстрого преобразования Фурье (блок 3), блока формирования аналитического сигнала (блок 4), ПЗУ (блок 5), комплексного перемножителя (блок 6), вычислителя обратного двухмерного БПФ (блок 7), вычислителя квадрата модуля (блок 8).The control device (block 9) synchronizes the operation of the analog-to-digital converter (block 1), the recirculator (block 2), the fast Fourier transform calculator block (block 3), the analytical signal generation block (block 4), ROM (block 5), complex a multiplier (block 6), an inverse two-dimensional FFT calculator (block 7), a module square calculator (block 8).

Для реализации данного способа быстрого вычисления функции неопределенности сигналов с учетом реверберационной помехи требуется одна операция прямого БПФ и одна операция двухмерного обратного БПФ (соответственно N 2 log 2 N + N M 2 log 2 N M

Figure 00000023
операций умножения [15]).To implement this method of quickly calculating the signal uncertainty function taking into account reverberation noise, one direct FFT operation and one two-dimensional inverse FFT operation are required (respectively N 2 log 2 N + N M 2 log 2 N M
Figure 00000023
multiplication operations [15]).

ЛитератураLiterature

1. Келли. Радиолокационное измерение дальности, скорости и ускорения, Зарубежная радиоэлектроника (ЗР), N2, 1962. - С.35.1. Kelly. Radar measurement of range, speed and acceleration, Foreign electronics (NR), N2, 1962. - P.35.

2. Патент N 4282589 США, 1981, Корреляционный способ измерения дальности.2. Patent N 4282589 USA, 1981, The correlation method of measuring range.

3. Патент N 3938147 США, 1976, ЧМ доплеровская система измерения дальности.3. Patent N 3938147 USA, 1976, FM Doppler range measuring system.

4. Заявка N 1482816 Великобритания, Способ и устройство для измерения доплеровского частотного сдвига.4. Application N 1482816 United Kingdom, Method and device for measuring Doppler frequency shift.

5. Заявка N 56-41953 Япония, 1981, Способ и прибор для измерения расстояния с помощью РЛС непрерывного излучения с ЧМ.5. Application N 56-41953 Japan, 1981, a Method and apparatus for measuring distance using continuous-wave radar with FM.

6. Крамер. Допустимая расстройка скорости и ускорения в высокочувствительных широкополосных корреляционных гидролокаторах с линейной ЧМ, ТИИЭР, т.55, N 5, 1967. - С.3.6. Kramer. Permissible speed and acceleration detuning in highly sensitive broadband correlation sonars with linear FM, TIIER, t.55, N 5, 1967. - C.3.

7. Бурдик B.C. Анализ гидроакустических систем. Л., Судостроение, 1988 г. - С.329-333.7. Burdick B.C. Analysis of sonar systems. L., Shipbuilding, 1988 - S.329-333.

8. Киблер. КЭВОРТ - устройство оптимальной обработки пачечного радиолокационного сигнала с учетом ускорения целей, ЗР N, 1968. - С.27-33.8. Kibler. KEVORT - device for optimal processing of a burst radar signal taking into account the acceleration of targets, ZR N, 1968. - P.27-33.

9. АС № 537315 (СССР) от 30.11.76. Способ определения скорости движения судна относительно дна.9. AC No. 537315 (USSR) of 11.30.76. A method for determining the speed of a vessel relative to the bottom.

10. Заявка N 2605933 ФРГ, Способ измерения расстояния и скорости, основанный на использовании импульсной доплеровской РЛС.10. Application N 2605933 Germany, a Method of measuring distance and speed, based on the use of pulsed Doppler radar.

11. Крамер. Допустимая расстройка скорости и ускорения в высокочувствительных широкополосных корреляционных гидролокаторах с линейной ЧМ. ТИИЭР, т.55, N 5, 1967. - С.3.11. Kramer. Permissible detuning of speed and acceleration in highly sensitive broadband correlation sonars with linear FM. TIIER, t.55, N 5, 1967. - C.3.

12. Шмарев Е.И. и др. Оптическое вычисление функции неопределенности сигналов (обзор). ЗР N 10, 1981. - С.41-43.12. Shmarev E.I. et al. Optical calculation of the signal uncertainty function (review). ЗР N 10, 1981. - С.41-43.

13. Бурдик B.C. Анализ гидроакустических систем. - Л.: Судостроение, 1988 г. - Стр.191-194.13. Burdick B.C. Analysis of sonar systems. - L .: Shipbuilding, 1988 - Pages. 191-194.

14. Келли, Вишнер. Теория согласованной фильтрации целей, движущихся ускоренно с высокими скоростями. ЗР N 10, 1965. - С.38.14. Kelly, Wischner. Theory of consistent filtering of targets moving accelerated at high speeds. ZR N 10, 1965. - P.38.

15. Применение цифровой обработки сигналов. / Под ред. Оппенгейма Э., - М: Мир, 1980. - С.284, 417-418.15. The use of digital signal processing. / Ed. Oppenheim E., - M: Mir, 1980 .-- P.284, 417-418.

16. Мирский Г. Электронные измерения. - М.: Радио и связь, 1986. - С.126-140. А.С. N 832490 (СССР) от 28.05.81. Анализатор спектра.16. Mirsky G. Electronic measurements. - M .: Radio and communications, 1986. - S.126-140. A.S. N 832490 (USSR) from 05/28/81. Spectrum analyzer.

Claims (1)

Устройство для вычисления функции неопределенности сигнала с учетом реверберационной помехи, содержащее аналого-цифровой преобразователь, на вход которого поступает входная реализация, а выход которого соединен с входом рециркулятора, выход которого соединен с входом вычислителя быстрого преобразования Фурье, выход которого соединен с первым входом блока перемножения, отличающееся тем, что дополнительно введены: блок обнуления отрицательных частот, входом которого является выход вычислителя быстрого преобразования Фурье, а выход соединен с первым входом блока перемножения; постоянное запоминающее устройство, выход которого соединен со вторым входом блока перемножения, выход которого является входом блока вычисления двухмерного обратного быстрого преобразования Фурье, выход которого соединен с входом вычислителя квадрата модуля, выход которого является выходом устройства; управляющее устройство, выходы которого подсоединены к управляющим входам аналого-цифрового преобразователя, вычислителя быстрого преобразования Фурье, перемножителя, блока вычисления двухмерного обратного быстрого преобразования Фурье, вычислителя квадрата модуля. A device for calculating the signal uncertainty function taking into account reverberation noise, comprising an analog-to-digital converter, the input of which is input implemented, and the output of which is connected to the input of the recirculator, the output of which is connected to the input of the fast Fourier transform computer, the output of which is connected to the first input of the multiplication unit , characterized in that it is additionally introduced: a unit for zeroing negative frequencies, the input of which is the output of the computer of the fast Fourier transform, and the output with one with a first input of the multiplication unit; read-only memory, the output of which is connected to the second input of the multiplication unit, the output of which is the input of the calculation unit of the two-dimensional inverse fast Fourier transform, the output of which is connected to the input of the square calculator of the module, the output of which is the output of the device; a control device whose outputs are connected to the control inputs of an analog-to-digital converter, a fast Fourier transform calculator, a multiplier, a two-dimensional inverse fast Fourier transform calculator, a square module calculator.
RU2009122422/28A 2009-06-15 2009-06-15 Method and apparatus for fast computation of signal uncertainty function based on reverberation interference RU2487367C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009122422/28A RU2487367C2 (en) 2009-06-15 2009-06-15 Method and apparatus for fast computation of signal uncertainty function based on reverberation interference

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009122422/28A RU2487367C2 (en) 2009-06-15 2009-06-15 Method and apparatus for fast computation of signal uncertainty function based on reverberation interference

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2009122422A RU2009122422A (en) 2010-12-20
RU2487367C2 true RU2487367C2 (en) 2013-07-10

Family

ID=44056307

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2009122422/28A RU2487367C2 (en) 2009-06-15 2009-06-15 Method and apparatus for fast computation of signal uncertainty function based on reverberation interference

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2487367C2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2760104C1 (en) * 2020-11-19 2021-11-22 Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" Method for determining the radial velocity of an object

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1228126A1 (en) * 1984-06-28 1986-04-30 Ленинградский Ордена Ленина Электротехнический Институт Им.В.И.Ульянова (Ленина) Acoustic-optical device for calculating values of woodward function of signals
JPH05100022A (en) * 1991-10-11 1993-04-23 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Sonar signal processing device
JPH09297172A (en) * 1996-05-01 1997-11-18 Nec Corp Active sonar device
RU2292560C1 (en) * 2005-07-11 2007-01-27 Федеральное государственное учреждение "Федеральный научно-исследовательский центр радиолектронной борьбы и оценки эффективности снижения заметности" МО РФ (ФГУ "ФГНИИЦ РЭБ ОЭСЗ" Минообороны России) Mode of determination of the position of the source of radio emission
RU2293997C1 (en) * 2005-09-13 2007-02-20 Военно-морской институт радиоэлектроники им. А.С. Попова Method for correlation processing of signals, reflected from fast-moving targets

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1228126A1 (en) * 1984-06-28 1986-04-30 Ленинградский Ордена Ленина Электротехнический Институт Им.В.И.Ульянова (Ленина) Acoustic-optical device for calculating values of woodward function of signals
JPH05100022A (en) * 1991-10-11 1993-04-23 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Sonar signal processing device
JPH09297172A (en) * 1996-05-01 1997-11-18 Nec Corp Active sonar device
RU2292560C1 (en) * 2005-07-11 2007-01-27 Федеральное государственное учреждение "Федеральный научно-исследовательский центр радиолектронной борьбы и оценки эффективности снижения заметности" МО РФ (ФГУ "ФГНИИЦ РЭБ ОЭСЗ" Минообороны России) Mode of determination of the position of the source of radio emission
RU2293997C1 (en) * 2005-09-13 2007-02-20 Военно-морской институт радиоэлектроники им. А.С. Попова Method for correlation processing of signals, reflected from fast-moving targets

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2760104C1 (en) * 2020-11-19 2021-11-22 Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" Method for determining the radial velocity of an object

Also Published As

Publication number Publication date
RU2009122422A (en) 2010-12-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Lobkis et al. On the emergence of the Green’s function in the correlations of a diffuse field
Kaznacheeva et al. Measurement capability of the interferometric method of sound source localization in the absence of data on the waveguide transfer function
Besedina et al. Estimation of the depth of a stationary sound source in shallow water
CN109991590B (en) System and method for testing low-frequency emission characteristic of transducer in pressure tank in limited space
CN104471370A (en) An improved suspended sediment meter
RU2626380C1 (en) Selection system of moving targets with measurement of range, radial velocity and direction of motion
US6262942B1 (en) Turbulence-resolving coherent acoustic sediment flux probe device and method for using
CN103344961A (en) Passive acoustic Doppler phase position method of joint measurement of ship speed and distance
Harley et al. Broadband localization in a dispersive medium through sparse wavenumber analysis
RU2487367C2 (en) Method and apparatus for fast computation of signal uncertainty function based on reverberation interference
RU2711420C1 (en) Method for processing signals with hyperbolic frequency modulation
CN110440896B (en) Ultrasonic measurement system and measurement method
RU2585401C1 (en) Device for detecting objects in aqueous medium
Yanovsky et al. Ultrawideband signal processing algorithms for radars and sodars
RU2593622C1 (en) Method of measuring radial velocity of object at its noise emission
RU2329474C2 (en) Method of examination of primary hydro acoustic fields of sonar noise generating object
RU2300781C1 (en) Device for hydrometeorological observations of sea range water area
Fischer et al. A new velocity estimation method using spectral identification of noise
RU2467350C2 (en) Method and device of signal detection with alternating doppler effect present
Zhang Multiplication-based pulse integration for detecting underwater target in impulsive noise environment
RU2584721C1 (en) Passive-active acoustic method of detection and localisation of gas leaks in gas-liquid medium
RU2559310C2 (en) Method of estimating distance to noisy object at sea
WO2010053136A1 (en) Object probing device, object probing program, and object probing method
RU2484499C1 (en) Method of determining depth of water body using side-scanning sonar and side-scanning sonar for realising said method
Hansen Oceanic incoherent Doppler sonar spectral analysis by conventional and finite-parameter modeling methods

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20160616