RU2711420C1 - Способ обработки сигналов с гиперболической частотной модуляцией - Google Patents
Способ обработки сигналов с гиперболической частотной модуляцией Download PDFInfo
- Publication number
- RU2711420C1 RU2711420C1 RU2018138434A RU2018138434A RU2711420C1 RU 2711420 C1 RU2711420 C1 RU 2711420C1 RU 2018138434 A RU2018138434 A RU 2018138434A RU 2018138434 A RU2018138434 A RU 2018138434A RU 2711420 C1 RU2711420 C1 RU 2711420C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- signal
- account
- propagation channel
- reference signal
- frequency modulation
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S15/00—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
- G01S15/02—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems using reflection of acoustic waves
- G01S15/06—Systems determining the position data of a target
- G01S15/08—Systems for measuring distance only
- G01S15/32—Systems for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated
- G01S15/34—Systems for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated using transmission of continuous, frequency-modulated waves while heterodyning the received signal, or a signal derived therefrom, with a locally-generated signal related to the contemporaneously transmitted signal
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Acoustics & Sound (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
Способ обработки сигналов с гиперболической частотной модуляцией относится к области гидроакустики и может быть использован в гидролокационных системах при обнаружении цели и определении ее координат и параметров движения. При разработанном способе обработки сигналов с гиперболической частотной модуляцией формируется опорный сигнал с учетом влияния канала распространения, для чего вычисляется взаимно корреляционная функция отраженного сигнала с опорным сигналом без учета влияния канала и ее квадрат модуля, после определения задержки происходит ее компенсация в отраженном от цели сигнале. При последующем приеме происходит вычисление взаимно корреляционной функции между новым опорным сигналом и принятым сигналом в виде произведения их спектров и обратного быстрого преобразования Фурье. В результате применения разработанного способа обработки сигналов получается новый опорный сигнал с гиперболической частотной модуляцией, учитывающий влияние канала распространения, использование которого увеличивает отношение сигнал/помеха на входе приемного тракта гидролокационной системы примерно в 3 раза. 7 ил.
Description
Описываемое предлагаемое изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано в гидролокационных системах при обнаружении цели и определении ее координат и параметров движения.
Эффективность гидролокаторов надводных кораблей во многом зависит от выбора параметров зондирующих сигналов и способов их обработки в приемном тракте.
Выбор параметров гидролокационных зондирующих сигналов производится в зависимости от целей их использования (получение максимальной дальности обнаружения целей на фоне шумовой и реверберационной помехи, обеспечение максимальной точности).
В современных гидролокаторах для обеспечения больших энергетических дальностей обнаружения целей используются зондирующие сигналы большой длительности (до нескольких секунд), а также используются различные типы сигналов и оптимальные методы их обработки, обеспечивающие высокую помехоустойчивость относительно реверберационной помехи.
Использование в качестве зондирующих сигналов сложных широкополосных зондирующих сигналов и оптимальной частотно-временной их обработки в приемном тракте дает возможность одновременно обеспечить:
- большую энергию зондирующих сигналов за счет излучения сигналов большой длительности и высокую помехоустойчивость относительно реверберационной помехи при высокой их разрешающей способности по дальности;
- высокую помехоустойчивость при обнаружении сигналов на фоне реверберационных помех даже при малых скоростях цели;
- расширение классификационных возможностей.
В режимах кругового или секторного обзора пространства целесообразным является использование широкополосных сложных импульсных сигналов инвариантных к доплеровскому изменению масштаба времени, что позволяет для обработки сигналов во всем доплеровском диапазоне использовать один согласованный фильтр, что очень важно при обработке сигналов большой сложности (длинных широкополосных сигналов) и при большом числе пространственных каналов [5].
Наиболее близкой к предлагаемому изобретению является обработка сигналов в оптимальном обнаружителе точно известного сигнала (Евтютов А.П., Митько В.Б. «Инженерные расчеты в гидроакустике». - 2-е изд., перераб. и доп.- Л., Судостроение. 1988 г., стр. 105) (ПРОТОТИП). Такой приемник вычисляет взаимную корреляционную функцию между принимаемым процессом и копией сигнала. После дальнейшей обработки (фильтрации и усиления) производится сравнение полученного сигнала с пороговым значением. При превышении порогового значения принимается решение об обнаружении цели.
Рассмотренный способ является оптимальным с точки зрения отношения сигнал/помеха для детерминированного сигнала. Однако в нем не учитывается влияние канала, в котором распространяется сигнал. При распространении сигналов на большие расстояния, а также при сильно развитой многолучевости, эти сигналы разрушаются и становятся не коррелированны с опорным. Для обработки сигналов необходимо определить искажающее влияние канала распространения и сформировать новый опорный сигнал, адаптированный к условиям канала распространения.
Если учесть влияние канала распространения при обработке эхосигнала, то в этом случае увеличивается коэффициент корреляции между опорным и зондирующим сигналами. Это может быть достигнуто за счет адаптации опорного сигнала к условиям распространения.
Целью изобретения является разработка способа обработки сигналов с гиперболической частотной модуляцией, техническая реализация которого позволит увеличить отношение сигнал/помеха на входе приемного тракта гидролокационной системы и повысить эффективность ее функционирования.
Указанная цель достигается путем создания алгоритма обработки сигналов с гиперболической частотной модуляцией, учитывающий влияние канала распространения.
Представляя канал в виде линейного фильтра и принимая гипотезу однородности и стационарности условий, канал описывают передаточной функцией, определяемой вектором пространственно-временных координат t и пространственно-временных частот ƒ
Смысл функции Н (1) заключается в описании вида канала в виде фильтра в заданный момент времени t в точке приема Масштабы временных и пространственных изменений меняются в широких пределах. При этом крупномасштабные изменения принято описывать детерминированными соотношениями, а мелкомасштабные (микро) неоднородности - стохастическими описаниями. Процесс выбора масштаба зависит от волновых и временных размеров неоднородностей и является в значительной мере субъективным. Одним из возможных направлений отображения такой двойственности является представление передаточной функции в виде произведения двух функций
где детерминированная функции, описывающая пространственное, частотно-временное изменение амплитуды и фазы функции, и случайной (стохастическая) функция тех же переменных.
Изложенные выше факторы усложняют математическую модель и могут кардинально ее изменить по сравнению с моделью, полученной на основе принятия гипотезы изотропной и стационарности среды.
Однако, влияние канала на свойства передачи и обработки сигнала можно в достаточно общей форме представить в виде функции рассеяния и фактора когерентности. Как правило, предполагается, что потери энергии при распространении нормированы. Тем не менее, большинство стохастических моделей, используемых при моделировании, являются сильно упрощенными, и адекватность их реальной среде весьма спорна. На самом деле стохастическая и детерминированная составляющая функций рассеяния зависят от:
- мелкомасштабных неоднородностей;
- взаимного расположения источника сигнала и цели, определяемого детерминированными свойствами среды.
Случайная функция Н определяется взаимным расположением источника и цели s, r частоты ƒ и времени t. Рассматривается математическое ожидание функции Н (фактор когерентности)
при γ=1 процесс полностью когерентен, при γ=0 - не когерентен.
Функция Н представляется в виде суммы когерентной детерминированной составляющей H0 и некогерентной случайной составляющей
Полное описание функции Н можно представить в виде функции ковариации.
Функция (4) также является обобщенной функцией когерентности, которая представляет собой математическое описание канала распространения.
Используя сигнал с гиперболической частотной модуляцией и математический аппарат, изложенный выше, был разработан способ циклической корреляционной обработки с учетом влияния канала распространения [1, 3, 4].
Способ циклической корреляционной обработки с учетом канала распространения представлен на фигуре 1.
Сигнал с гиперболической частотной модуляцией описывается выражением:
где: Wn - количество волн в сигнале;
Fw - верхняя частота сигнала;
Fn - нижняя частота.
Поскольку, сигналы в реальных условиях являются не бесконечными, а финитными во времени и задаются от времени начала tn и до времени окончания сигнала tk, задаваемых правилом:
где tn - начало импульса;
tk - окончание импульса;
Fm - частота Меллина, определяемая выражением:
Исходя из вышесказанного, сигнал (5) с учетом ограничения по времени начала и окончания записывается в следующем виде:
где supp(t) - функция Хэвсайда, определяемая выражением:
На основании выражения (6), получаем графическое представление сигнала с гиперболической частотной модуляцией, представленный на фигуре 2 [2].
Проходя через канал распространения, излученный сигнал подвергается преобразованиям описываемым киниматикой цели α, задержкой сигнала τ, шумовой помехой n(t) в виде белого шума (фигура 3) и правилом:
Шумовая помеха n(t) представлена двумя реализациями (фигура 4).
Для формирования опорного сигнала с учетом влияния канала распространения применяется преобразование Гильберта к отраженному сигналу. Это обусловлено тем, что отраженный сигнал представляет собой только действительную часть, а эталонный сигнал представлен в комплексной форме. Новый опорный сигнал будет представлять собой смесь зондирующего сигнала с передаточной функцией канала распространения, т.е. учитывать его влияние. Вид опорного сигнала без учета влияния канала распространения и с учетом влияния канала распространения представлен на фигуре 5.
Вычисление взаимно-корреляционной функции R отраженного сигнала с опорным сигналом без учета влияния канала записывается в виде:
Далее вычисляется квадрат модуля взаимно корреляционной функции:
После определения задержки происходит ее компенсация в отраженном от цели сигнале, в результате которого получаем процесс, подверженный влиянием канала распространения и целью:
При последующем приеме происходит вычисление взаимно-корреляционной функции между новым опорным сигналом и принятым сигналом в виде произведения их спектров и обратного быстрого преобразования Фурье:
где G{.} - преобразование Гильберта.
В результате произведенных восьми вычислений получены взаимно-корреляционные функции R отраженного сигнала с опорным сигналом без учета влияния канала распространения (красный цвет) и с опорным сигналом с учетом влияния канала. Вид взаимно-корреляционных функций представлен на фигуре 6.
Первое испытание соответствует взаимно-корреляционной функции эталонного сигнала с отраженным сигналом без учета влияния канала распространения. Со 2 по 8 испытания взаимно-корреляционная функция находилась с использованием опорного сигнала, учитывающего влияние канала распространения. В каждом испытании шумы формировались независимо друг от друга.
Для полученных результатов вычислялось отношение сигнал/помеха и производилось сравнение их между собой.
Результаты записывались последовательно. Нулевому отсчету соответствует результат, полученный традиционным способом без учета влияния канала распространения, остальные - с учетом влияния канала распространения сигнала.
В результате моделирования получен новый опорный сигнал с гиперболической частотной модуляцией, учитывающий влияние канала распространения.
Предлагаемый способ обработки входного сигнала с гиперболической частотной модуляцией, учитывающий влияние канала распространения, позволяет увеличить отношение сигнал/помеха, примерно, в 3 раза (фигура 7).
Данный вид обработки сигналов может быть использован при модернизации существующих активных гидроакустических средств, использующих сложные зондирующие сигналы и при строительстве новых гидроакустических комплексов подводных лодок и надводных кораблей. Особенно данный вид обработки может быть относительно просто внедрен в гидроакустические комплексы при реализации мультистатической и бистатической гидролокации.
Источники информации, использованные при выявлении изобретения и составлении его описания:
1. Лушанкин В.И. «Теория основ военной гидроакустики». - Санкт-Петербург, ВСОК ВМФ, 2010.
2. Макаров Е.С. «Инженерные расчеты в Mathcad 15». - Москва, Санкт-Петербург, ПИТЕР, 2011.
3. Сапрыкин В.А. Волошин А.К. Рокотов С.П. «Цифровая обработка гидроакустических сигналов». - Санкт-Петербург, ВМИРЭ им. А.С.Попова, 1990.
4. Сапрыкин В.А. Корреляционный анализ групповых сигналов // XV Межвузовская НТК «Военная радиоэлектроника: Опыт использования и проблемы, подготовка специалистов» / ВМИРЭ. - Петродворец, 2004. - с. 270-271.
5. Сапрыкин В.А. Рокотов С.П. «Теория гидролокации и цифровая обработка сигналов». - Санкт-Петербург, ВМИРЭ им. А.С Попова, 1988.
6. Евтютов А.П., Митько В.Б. «Инженерные расчеты в гидроакустике». - 2-е изд., перераб. и доп. - Л., Судостроение. 1988 г., стр. 105 (ПРОТОТИП).
Claims (1)
- Способ обработки сигнала с гиперболической частотной модуляцией, основанный на вычислении взаимно-корреляционной функции опорного сигнала, сформированного в процессе излучения и записанного в транспонирующее устройство, с отраженным сигналом от цели, отличающийся тем, что при обработке сигнала с гиперболической частотной модуляцией определяется искажающее влияние канала распространения на отраженный сигнал путем формирования опорного сигнала с учетом влияния канала распространения, для чего вычисляется взаимно-корреляционная функция отраженного сигнала с опорным без учета влияния канала распространения, вычисляется квадрат модуля взаимно-корреляционной функции, определяются временные задержки в отраженном сигнале, компенсируются полученные задержки в отраженном сигнале, в результате получается отраженный сигнал с учетом искажающего влияния канала распространения, использующийся в качестве опорного сигнала с учетом искажающего влияния канала распространения, а при последующем излучении осуществляется обработка с вычислением взаимно-корреляционной функции между отраженным сигналом и новым опорным сигналом, учитывающим искажающее влияние канала распространения, в виде произведения их спектров и обратного быстрого преобразования Фурье, при этом полученный новый опорный сигнал с гиперболической частотной модуляцией, учитывающий влияние канала распространения, при последующем его использовании увеличивает отношение сигнал/помеха на входе приемного тракта гидролокационной системы.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018138434A RU2711420C1 (ru) | 2018-10-30 | 2018-10-30 | Способ обработки сигналов с гиперболической частотной модуляцией |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018138434A RU2711420C1 (ru) | 2018-10-30 | 2018-10-30 | Способ обработки сигналов с гиперболической частотной модуляцией |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2711420C1 true RU2711420C1 (ru) | 2020-01-17 |
Family
ID=69171627
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2018138434A RU2711420C1 (ru) | 2018-10-30 | 2018-10-30 | Способ обработки сигналов с гиперболической частотной модуляцией |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2711420C1 (ru) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2739478C1 (ru) * | 2020-05-25 | 2020-12-24 | Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" | Способ обработки псевдошумового сигнала в гидролокации |
CN113484823A (zh) * | 2021-06-21 | 2021-10-08 | 南京航空航天大学 | 一种基于闭式补偿的高分辨率时延估计方法 |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2096808C1 (ru) * | 1995-02-23 | 1997-11-20 | Сергей Алексеевич Бахарев | Способ обнаружения низкочастотных гидроакустических излучений |
RU2300118C1 (ru) * | 2005-08-29 | 2007-05-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт "Морфизприбор" | Способ обнаружения шумящих в море объектов |
RU120239U1 (ru) * | 2012-03-12 | 2012-09-10 | Андрей Андреевич Катанович | Устройство для обнаружения подводных объектов |
RU2491717C2 (ru) * | 2010-05-04 | 2013-08-27 | Попик Павел Иванович | Способ повышения уровня (отношения) сигнал-шум при применении "принципа затухания помехи" |
-
2018
- 2018-10-30 RU RU2018138434A patent/RU2711420C1/ru active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2096808C1 (ru) * | 1995-02-23 | 1997-11-20 | Сергей Алексеевич Бахарев | Способ обнаружения низкочастотных гидроакустических излучений |
RU2300118C1 (ru) * | 2005-08-29 | 2007-05-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт "Морфизприбор" | Способ обнаружения шумящих в море объектов |
RU2491717C2 (ru) * | 2010-05-04 | 2013-08-27 | Попик Павел Иванович | Способ повышения уровня (отношения) сигнал-шум при применении "принципа затухания помехи" |
RU120239U1 (ru) * | 2012-03-12 | 2012-09-10 | Андрей Андреевич Катанович | Устройство для обнаружения подводных объектов |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
С.Н. ПАВЛИКОВ и др. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ МУЛЬТИПЛИКАТИВНЫХ СИГНАЛОВ. H&ES RESEARCH - НАУКОЕМКИЕ ТЕХНОЛОГИИ В КОСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ ЗЕМЛИ. ООО "ИЗДАТЕЛЬСКИЙ ДОМ МЕДИА ПАБЛИШЕР", 2013, СТР. 24-29. * |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2739478C1 (ru) * | 2020-05-25 | 2020-12-24 | Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" | Способ обработки псевдошумового сигнала в гидролокации |
CN113484823A (zh) * | 2021-06-21 | 2021-10-08 | 南京航空航天大学 | 一种基于闭式补偿的高分辨率时延估计方法 |
CN113484823B (zh) * | 2021-06-21 | 2024-03-29 | 南京航空航天大学 | 一种基于闭式补偿的高分辨率时延估计方法 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7929375B2 (en) | Method and apparatus for improved active sonar using singular value decomposition filtering | |
JP5110529B2 (ja) | 物標探査装置、物標探査プログラム及び物標探査方法 | |
Laroche et al. | An inverse approach for ultrasonic imaging from full matrix capture data: Application to resolution enhancement in NDT | |
Anderson et al. | Time-frequency analysis of the bistatic acoustic scattering from a spherical elastic shell | |
RU2711420C1 (ru) | Способ обработки сигналов с гиперболической частотной модуляцией | |
KR101618326B1 (ko) | 선박의 프로펠러에 의해 발생하는 초생 공동의 위치를 추정하는 시스템 및 방법과, 이를 이용한 선박 | |
Kim et al. | Localization of incipient tip vortex cavitation using ray based matched field inversion method | |
Yao et al. | Robust active sonar detection in frequency and time dispersive channels using matching envelope spectrum of multi-pulse LFM signals | |
Palmese et al. | Acoustic imaging of underwater embedded objects: Signal simulation for three-dimensional sonar instrumentation | |
Zhai et al. | Passive source depth estimation in shallow water using two horizontally separated hydrophones | |
Qi et al. | Sources depth estimation for a tonal source by matching the interference structure in the arrival angle domain | |
Sabra et al. | Subspace array processing using spatial time-frequency distributions: Applications for denoising structural echoes of elastic targets | |
He et al. | Enhanced Kalman filter algorithm using the invariance principle | |
Xu et al. | Joint time-frequency inversion for seabed properties of ship noise on a vertical line array in South China Sea | |
JP5317176B2 (ja) | 物体探査装置及び物体探査プログラム、物体探査方法 | |
Moallemi et al. | A new model for array spatial signature for two-layer imaging with applications to nondestructive testing using ultrasonic arrays | |
CN113253284A (zh) | 基于目标散射特性的主动声呐干涉条纹生成方法 | |
Ashok et al. | Absorption of echo signal for underwater acoustic signal target system using hybrid of ensemble empirical mode with machine learning techniques | |
RU2674552C1 (ru) | Гидролокационный способ обнаружения объекта и измерения его параметров | |
Leetang et al. | Evaluation of ultrasonic target detection by alternate transmission of different codes in M-sequence pulse compression | |
RU2697937C1 (ru) | Гидролокационный способ обнаружения объекта и измерения его параметров | |
Culver et al. | Sonar signal processing using probabilistic signal and ocean environmental models | |
Danesh | Real time active sonar simulation in a deep ocean environment | |
Waters et al. | Isolating scattering resonances of an air-filled spherical shell using iterative, single-channel time reversal | |
Zhang et al. | Modeling of radiated noise passing characteristic for ship in different marine environments |