SU1597816A1

SU1597816A1 - Способ обнаружени структуры оптических неоднородностей атмосферы

Info

Publication number: SU1597816A1
Application number: SU884449896A
Authority: SU
Inventors: Юрий Алексеевич Полканов
Original assignee: Научно-исследовательский институт прикладных физических проблем им.А.Н.Севченко
Priority date: 1988-07-05
Filing date: 1988-07-05
Publication date: 1990-10-07

Abstract

Изобретение относитс к измерению оптических характеристик неоднородных сред и позвол ет повысить надежность обнаружени элементов периодичности и структуре неоднородностей. В атмосферу посылают импульсы света малой длительности, регистрируют сигналы обратного рассе ни , усиливают их пропорционально квадрату текущего времени, компенсируют вли ние фоновой засветки. Последовательность отсчетов фильтруют, исключа локальные максимумы, не превышающие порогового значени , которое зависит от значени прин того сигнала и уровн шумов. Исключают так же наименьшие локальные минимумы, соседствующие с исключенными максимумами и экстремумами перед наибольшим и после наименьшего максимумов. Задают начальный уровень дискриминации. Последовательно увеличива уровень, дискриминируют последовательность отсчетов. Дл каждого уровн дискриминации формируют распределение числа интервалов между экстремумами от величины интервалов. Характерные размеры неоднородностей, устойчивость, число и контраст элементов структуры неоднородностей определ ют, анализиру зависимость распределений от уровн дискриминации. 1 ил.

Description

Изобретение относитс к измерению оптических характеристик неоднородных сред и может примен тьс дл целей метеорологии , физики плазмы, оптики атмосферы и океана, лазерной локации в услови х замутненной среды.

Цель изобретени - повышение надежности вы влени периодичности оптических неоднородностей среды по временной структуре сигнала обратного рассе ни в услови х воздействи щумов путем нелинейной фильтрации и анализа характера выделенной структуры неоднородностей в зависимости от растующего нелинейного порога амплитудной дискриминации.

Поставленна цель достигаетс тем, что из последовательности локальных максимумов отбрасываютс те, дл которых выполн етс условие

(

С - значение сигнала в локальном минимуме между максимумами С и Ct;

АС ()а

сл х

00

а -

Со

коэффициент обеспечивающий веро тность (Р(,) соответстви рассчитанного перепада (АС) перепаду обусловленному флуктуаци ми са.мого сигнала;

средний уровень щумов, отнесенный к интервалу временной дискретизации сигнала.

наход т в последовательности локальных минимумов пары, соседствующие с отброшенными максимумами и отбрасывают меньший минимум пары, формируют новые последовательности оставшихс локальных максимумов , минимумов, определ ют наличие максимального , и минимального максимумов (СГакс, ), наход т их положение в последовательности , отбрасывают все экстремумы перед CiTaKc и после С«, задают начальный уровень дискриминации локальных максимумов

C-4-Ct,.) /2

d (Cv

н --формируют новую модельную последователь- ность отсчетов (С„ 1, ), на ее-основе формируют распределение полученного числа интервалов между максимумами, минимумами определенной прот женности в зависимости от величины интервала, определ ют величину, положение и число относительных максимумов (N) в полученном распределении, увеличивают уровень дискриминации на заданный шаг (Ado), повтор ют действи по определению величины, положени и числа относительных максимумов, запоминают эти числа, определ ют перепад уровней дискриминации, соответствующий переходу к числу относительных максимумов распределени менше на одно, по их максимальному числу (N) суд т о числе характерных элементов структуры неоднороднос- тей по отношению вы вленных перепадов уровней дискриминации к уровню фильтрации (С()+АС) суд т о контрасте соответствующего элемента структуры относительно фоновых неоднородностей, по отношению соседних перепадов уровней суд т об относительном контрасте элементов структуры неоднородностей .

На чертеже приведена блок-схема устройства , реализующего предлагаемый способ.

Схема включает пульт 1 управлени , импульсный- источник света (ОКГ) 2, фотоприемник 3, усилитель 4, накопитель 5, амплитудно-цифровой преобразователь (АЦП) 6, блоки пам ти 7, 8, 17, блок 9 вычитани фона, блок 10 выделенных локальных экстремумов , блок И задани уровн дискриминации , блок 12 нелинейной фильтрации и дискриминации локальных максимумов, блок 13 формировани распределени числа интервалов от прот женности интервала, блок 14 выделени локальных максимумов распределени , блок 15 определени числа локальных максимумов распределени (типов интервалов), блок 16 соотнесени типа интервала уровню дискриминации , блок 18 определени максимального и минимального числа типов интервалов , вычислитель 19 параметров обнаруженной структуры. С пульта 1 в накопитель 5 занос т интервал времени измерений.

шаг дискретизации и число циклов, по которому провод т накопление приход щего сигнала. После этого с пульта 1 подают команду на излучение импульса света источником 2. Одновременно подают команду на

усилитель 4 дл усилени приход щего сигнала пропорционально квадрату текущего времени, начина с момента излучени импульса . Кроме того, с пульта 1 задают число шагов дискретизации, запоминаемое в

0 блоке 7, и последовательность предварительно заданных команд обработки сигнала. Приход щий сигнал с фотоприемника 3 поступает на усилитель 4 и после усилени накапливаетс в блоке 5, за требуемый интервал времени по заданному числу измерений , с заданным щагом дискретизации. В блоке 6 (АЦП) он преобразуетс в цифровую форму и запоминаетс в блоке 8. Причем в блоке 8 запоминаютс как фоновые отсчеты, полученные в цикле предваритель0 ных измерений (при отключении источника излучени 2), так и сигнальные отсчеты полученные в рабочих циклах измерений. В блоке 9 производитс вычитание уровн фона соотнесенного к щагу дискретизации сигнала (по данным из блока 7) из полу5 ценных значений сигнала. Полученные рабочие значени сигнала обратного рассе ни рабоча последовательность вновь запоминаютс в блоке 8.

После завершени измерений по команде с пульта 1 в блоке 10 производитс сравнение отсчетов сигнала по три и в случае, если дл них выполн ютс услови или , отсчет 2 принимаетс за локальный максимум (минимум) и его положение (номер) запоминаетс отдельно дл максимумов и минимумов. После этого отсчеты сигнала и номера локальных экстремумов с блоков 8 и 10 поступают на блок 11. В зависимости от выставленного уровн фильтрации (Со), выдаваемого пультом I, здесь происходит фильтраци локальных максимумов, когда значени большие АС сохран ютс . Если в результате фильтрации отфильтровываетс локальный максимум, то из двух соседствующих минимумов за действительный принимаетс наибольший, т. е. в блоке 11 производитс дополнительна операци (схемой сравнени и выбора). Кроме того, из вы вленных локальных максимумов здесь выдел етс наибольший и наименьший (Смаке и ) и определ етс их номер в последовательности экстремумов . Эти номера соответственно принимаютс за первый и последний, делаетс вывод о возможности анализа структуры и задаетс начальный уровень амплитудной дискриминации , который запоминаетс в блоке 11 и выдел етс только по команде с пуль55 та 1. В отсутствие этой команды на блок 12 поступает команда на фильтрацию выбросов сигнала, обусловленных средой от выбросов сигнала, обусловленных его природой, на ос0

5

0

5

50

новании данных об уровне шумов (Со), поступающих из блока 8 пам ти. На выходе блока 12 фильтрации имеем набор локальных максимумов, минимумов, разделенных определенными интервалами, число которых меньше их исходного числа (без дискриминации ). В блоке 13 происходит сортировка этих максимумов и минимумов в две независимые последовательности, генераци нормированной последовательности, отбор интервалов между импульсами нормированной 10 амплитуды (-f 1 или -1) их сортировка по величине и суммирование числа интервалов определенной прот женности. В результате по команде с пульта 1 получаем на выходе блока 13 распределение числа интервалов в зависимости от прот женности интервала («спектр интервалов). Следующий этап анализа - анализ зависимости спектра интервалов от уровн дискретизации. Исходный спектр и отфильтрованный сигнал - в

число этих интервалов равно отношению прот женности всего анализируемого участка на прот женность такого интервала. Если есть еще периодические компоненты структуры (последующие ее элементы), то с ростом картина прореживани экстремумов сигнала и по влени интервалов все большей прот женности повтор етс . В случае отсутстви локальных экстремумов блок 12 работает как обычный ограничитель по амплитуде.

Следующий этап - анализ динамики спектра интервалов структуры неоднород- ностей сигнала в зависимости от выставл емого порога дискриминации. Он предусматривает выделение интервалов опреде- ленной прот женности преобладающих по частоте их встречи, т. е. поиск относительных максимумов в распределении числа интервалов в зависимости от его величины. Распределение интервалов («спектр интервалов ) формируетс блоком 13 на осноблоке 12. С пульта 1 и блока И на входы 20 ве полученных после фильтрации, дискрими- блока 12 поступают команды на выставлениенации и нормировки данных. В блоке 14

уровн дискриминации, который растет от цикла к циклу анализа с заданным шагом (Ado).

В соответствии с заданным уровнем дискриминации из отфильтрованной последова- тельности локальных максимумов, поступающей с блока 13, начинают исключатьс локальные максимумы и минимумы определенных интервалов, начина с минимальноанализируетс это распределение на предмет вы влени относительных максимумов по методике поиска локальных максимумов блоком 10. Данные о величине положени каждого относительного максимума поступают на блок 15, где число относительных максимумов суммируетс и запоминаетс . Эти данные поступают на вход блока 16 одновременно с набором вз тых уровней дисго интервала. Причем с ростом уровн d из Q криминации от начальною до текущего (с

последовательности локальных интервалов сначала исчезает экстремум, расположенный у глобального максимума (), затем такой же следующий и т. д. пока не исчезнет экстремум у глобального максимума (). Происходит прореживание локальных экстремумов сигнала, граница которого перемещаетс Б направлении - . Причем

блока 11). Здесь сравниваетс номер уровн и номер интервала и в случае их совпадени в блоке 17 запоминаетс пара значений: уровень дискриминации и интервал вы вленного типа.

35

Рост уровн дискриминации при периодичности структуры неоднородностей приводит к росту числа типов интервалов и их последующему уменьщению до одиночного. Текущее число типов интервалов дл опредеРост уровн дискриминации при периодичности структуры неоднородностей приводит к росту числа типов интервалов и их последующему уменьщению до одиночного. Текущее число типов интервалов дл опредеисчезновение локальных экстремумов идет с определенным интервалом (последовательно ) и уменьшение их числа на одно соответствует определенному приращению уров- 40 ленного уровн d с блока 15 и пары значе- н дискриминации Ad. После фильтрации оп-ний уровень - дискриминации - интервал

ределенного типа локальных экстремумов, соответствующих существованию начального

вы вленного типа с блока 17 поступают на входы блока 18 и запоминаютс . Число типов интервалов сравниваетс с предшествующим числом дл меньшего уровн дисэлемента периодической структуры, существенный рост уровн дискриминации (Ad

вы вленного типа с блока 17 поступают на входы блока 18 и запоминаютс . Число типов интервалов сравниваетс с предшествующим числом дл меньшего уровн ) не приводит к изменению об- 5 криминации. При его неизменности или росщеи картины в последовательности следовани локальных экстремумов. С некоторого значени d оп ть начинаетс селекци экстремумов и их прореживание. Это вызывает по вление нового типа интервалов между оставшимис экстремумами, число которых растет с ростом уровн дискриминации. Причем, как и в начальной последовательности , уменьшение локального экстремума на один соответствует приращению Ad, т. е. к

50

те с блока 18 подаетс команда на блок 1 1 о выставлении следующего уровн дискриминации и повторении цикла анализа. Прн уменьшении типов интервалов до одного в блоке 18 определ етс наибольшее число типов интервалов и запоминаетс . Одновременно анализируютс пары уровень дискриминации - интервал вы вленного типа дл всего диапазона уровней дискриминации и определ ютс перепады уровней А при изте с блока 18 подаетс команда на блок 1 1 о выставлении следующего уровн дискриминации и повторении цикла анализа. Прн уменьшении типов интервалов до одного в блоке 18 определ етс наибольшее число типов интервалов и запоминаетс . Одновременно анализируютс пары уровень дискриминации - интервал вы вленного типа дл всего диапазона уровней дискриминации и определ ютс перепады уровней А при изпо влению еще одного интервала нового 55 менении числа типов интервалов на единицу.

типа. С ростом d число этих интерваловЭти данные поступают на вычислитель l

одновременно с данными блока 17 и по максимальному числу типов интервалов устарастет . Они по вл ютс последовательно в направлении . . Максимальное

0

Следующий этап - анализ динамики спектра интервалов структуры неоднород- ностей сигнала в зависимости от выставл емого порога дискриминации. Он предусматривает выделение интервалов опреде- ленной прот женности преобладающих по частоте их встречи, т. е. поиск относительных максимумов в распределении числа интервалов в зависимости от его величины. Распределение интервалов («спектр интервалов ) формируетс блоком 13 на осно0 ве полученных после фильтрации, дискрими- нации и нормировки данных. В блоке 14

анализируетс это распределение на предмет вы влени относительных максимумов по методике поиска локальных максимумов блоком 10. Данные о величине положени каждого относительного максимума поступают на блок 15, где число относительных максимумов суммируетс и запоминаетс . Эти данные поступают на вход блока 16 одновременно с набором вз тых уровней дискриминации от начальною до текущего (с

криминации от начальною до текущего (с

Рост уровн дискриминации при периодичности структуры неоднородностей приводит к росту числа типов интервалов и их последующему уменьщению до одиночного. Текущее число типов интервалов дл определенного уровн d с блока 15 и пары значе- ний уровень - дискриминации - интервал

ленного уровн d с блока 15 и пары значе- ний уровень - дискриминации - интервал

вы вленного типа с блока 17 поступают на входы блока 18 и запоминаютс . Число типов интервалов сравниваетс с предшествующим числом дл меньшего уровн дискриминации . При его неизменности или роскриминации . При его неизменности или рос

те с блока 18 подаетс команда на блок 1 1 о выставлении следующего уровн дискриминации и повторении цикла анализа. Прн уменьшении типов интервалов до одного в блоке 18 определ етс наибольшее число типов интервалов и запоминаетс . Одновременно анализируютс пары уровень дискриминации - интервал вы вленного типа дл всего диапазона уровней дискриминации и предел ютс перепады уровней А при изменении числа типов интервалов на единицу.

навливаетс число элементов периодичности структуры неоднородностей.

Каждому элементу структуры соотноситс перепад уровней дискриминации А„. Из перепадов вычитаетс предварительно запоминаемый уровень, соответствующий фону, и полученные значени (А-А„) вл ютс характеристикой контрастности элементов структуры относительно фоновых неоднородностей . Здесь же вычисл ютс отношени полученных перепадов (А-Ai)/(A-Аг), которые принимаютс за характеристики относительного контраста элементов структур ы неоднородностей.

Claims

Формула изобретени

Способ обнаружени структуры оптических неоднородностей атмосферы путем посылки импульсов света малой длительности по набору трасс зондировани , приема и преобразовани фотоприемником рассе нного в обратном направлении света в электрические сигналы, регистрации дискретных значений приход щего сигнала, их накоплени и усилени пропорционально квадрату текущего времени, разбиени последовательности отсчетов сигнала на участки двух типов , ограниченные парами локальных максимумов и минимумов соответственно, формировани модельной последовательности отсчетов путем соотнесени нормированной ам- плитудь, равной единице, значени м локальных максимумов, отрицательного значени нормированной амплитуды, равной единице , значени м локальных минимумов и ис- ключ ени промежуточных сигналов, определени по модельной последовательности интервалов между локальными максимумами, минимумами, максимумами и минимумами и определени по средним величинам этих интервалов дл всего набора трасс зондировани , характерных размеров неоднородностей , а по среднеквадратичным отклонени м устойчивости структуры неоднородностей, отличающийс тем, что, с целью повышени надежности, измер ют величины сигналов фона, нормируют их на интервал времени дискретизации и исключают из дискретных

отсчетов приход щих сигналов, фильтруют последовательность отсчетов сигналов путем последовательного исключени локальных максимумов, не превышающих порога, меньших из каждых двух локальных минимумов , соседствующих с исключенными максимумами , и всех экстремумов перед наибольшим и после наименьщего максимумов, задают начальный уровень дискриминации локальных максимумов, последовательно уве0 личива уровень дискриминации, формируют р д последовательностей отсчетов сигналов и р д соответствующих модельных последовательностей , дл каждой из которых формируют распределение числа интервалов межДУ минимумами, максимумами от величины интервалов, а в полученных распределени х определ ют величину, положение и число относительных максимумов, определ ют перепады уровней дискриминации, соответствующие переходу к числу относительных

0 максимумов меньще на одно, причем порог фильтрации, определ ют по формуле

cH- .

Vrf

где минимально допустима величина

локального максимума; С - значение сигнала в локальном минимуме между максимумами каждой пары;

Со - средний уровень шумов, нормиро- 0ванный на интервале дискретизации сигнала;

а - коэффициент, обеспечивающий требуемую веро тность соответстви максимума перепаду, обусловленному флуктуаци ми самого сиг5 3а начальный уровень дискриминации определ ют по формуле

н г- , C-+Ct.,) / d (Смин ),

где d - уровень дискриминации;

Сини - значение наименьшего из неотфильтрованных локальных максимумов;

значение соответствующего локального минимума.

5