Анализ и синтез алгоритмов обработки сигналов в системах радиоакустического зондирования атмосферы Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Дистанционное зондирование сред

УДК 551.501.8:621.396.96

Анализ и синтез алгоритмов обработки сигналов в системах радиоакустического зондирования атмосферы

Карташов В.М., Куля Д.Н., Кушнир М.В.

Аннотация: В работе проанализированы существующие и предложены усовершенствованные методы обработки сигналов систем радиоакустического зондирования (РАЗ) атмосферы, формирующие оценки максимального правдоподобия информативных параметров колебаний, с учетом характерных для систем данного класса условий работы и имеющихся ограничений. Произведен анализ качества синтезированных алгоритмов путем вычисления потенциальной точности получаемых оценок. Использование алгоритма на практике позволит существенно повысить оперативность зондирования и точность получаемых результатов измерений характеристик среды.

Ключевые слова: обработка сигналов, радио, акустика, потенциальная точность, устранение погрешности.

Введение

Системы радиоакустического зондирования (РАЗ) атмосферы используют явление рассеяния электромагнитной волны на звуковой посылке, распространяющейся в атмосфере. По характеристикам принимаемого радиосигнала, рассеянного на звуковых колебаниях, определяется скорость звука в среде, позволяющая вычислять далее значения температуры воздуха и скорости ветра [1].

В настоящее время в системах РАЗ реализованы алгоритмы обработки сигналов, заимствованные из радиолокации, которые основаны на выделении и измерении доплеровской частоты колебаний. Однако оценки скорости звука, получаемые в соответствии с используемыми в системах РАЗ алгоритмами, характеризуются наличием значительных по величине систематических погрешностей (по температуре величина смещения достигает единиц градусов).

Цель работы: повышение точности оценок скорости звука, получаемых в системах РАЗ.

Основная задача статьи заключается в синтезе упрощенного оптимального по критерию максимума правдоподобия алгоритма оценивания параметров радиосигнала, рассеянного акустическим волновым пакетом.

Методы обработки сигналов в системах радиоакустического зондирования атмосферы

На практике процесс измерений, осуществляемый рядом систем радиоакустического зондирования атмосферы, выполняется с применением адаптации - подстройки частоты акустического или электромагнитного сигналов с целью обеспечения нулевого значения параметра расстройки условия Брэгга q = 2ke - ks = о, где ke - волновое число электромагнитного колебания, ks - волновое число акустического колебания [1]. Это связано с тем, что при условии q = 0 можно проводить традиционные до-плеровские измерения, поскольку получаемая частота в этом случае является чисто допле-ровской, а, следовательно, при этом можно использовать привычную технику измерений и методику интерпретации результатов измерений для нахождения скорости звука и температуры среды.

Алгоритмы обработки сигналов включают в себя изменение частоты звукового излучения (наиболее часто вручную): при изменении значения частоты звукового излучения и неизменном значении частоты радиосигнала изменяются значения параметра q = 2ke - ks.

Подстройка частоты осуществляется до тех пор, пока не будет наблюдаться максимум отраженного сигнала или частота звукового сигнала не совпадет с доплеровской частотой рассеянного радиосигнала. Такой подход связан с тем, что условию q = 0 соответствует максимум амплитуды отраженного сигнала, а допле-ровский сдвиг частоты рассеянного радиосигнала совпадает с частотой излучаемой звуковой посылки.

Методы с адаптацией существенно усложняют систему и процесс зондирования, значительно снижают оперативность зондирования, поскольку адаптация осуществляется, как правило, в ручном режиме.

В ряде других систем зондирования скорость звука определяется по доплеровскому сдвигу частоты электромагнитных колебаний, рассеянных на звуковой посылке, без использования подстройки частот зондирующих сигналов. Устройства обработки таких станций радиоакустического зондирования атмосферы, независимо от видов используемых зондирующих акустических и электромагнитных сигналов, построены как измерители доплеров-ской частоты, а теоретической моделью применяемых в системах РАЗ устройств обработки являются известная многоканальная корреляционная или фильтровая схема оценки информативного параметра. Однако результаты измерений, получаемые с использованием таких алгоритмов, сопровождаются значительными по величине систематическими погреш-

ностями: получаемая температура атмосферы отличается от истинной на величину 1-2 градуса [1].

Причина систематической погрешности

Чтобы выяснить причину возникновения получаемых погрешностей, запишем апостериорное распределение информативного параметра х принимаемого радиосигнала [2]

P(x | y) = c P(x) exp

1 T

--j y(t )uc (t, x) dt

N 0 0

x exp

Qx

N

(1)

Рис. 1. Схема устройства оценки информациионного параметра в системах РАЗ

где с" - константа, определяющая масштаб по

Т 2

оси ординат, Qх = | и (7, х)dt - энергия сигнала

о с

при данном значении сообщения х . Смесь полезного сигнала и помехи на входе устройства обработки и воспроизведения информативного параметра х здесь представлена в виде

У(7) = и с х) + иш

где ис (7, х) - сигнал произвольной формы, известный в месте приема точно, за исключением неизвестного информативного параметра х с априорным распределением Р(х); помеха иш (7) представляет собой аддитивный независимый стационарный нормальный белый шум с известной спектральной плотностью Ы0.

Для широкого класса локационных задач (в том числе задач измерения скорости объектов по доплеровской частоте) и используемых сигналов полагается, что форма сигнала у(7) не отличается от формы

опорного сигнала ис (7, х), а величина Qх полагается не зависящей от информативного параметра х , в процессе формирования искомой оценки она не учитывается и включается в константу с"" . Аналогичные процедуры обработки реализуются в настоящее время и при оценивании скорости звука в системах РАЗ по доплеровской частоте.

Однако в действительности в системах РАЗ атмосферы указанное

X

условие не выполняется. Во-первых, рассеяние радиоволны на звуке является частотно-зависимым: уровень рассеянного радиосигнала Qx зависит от скорости звука, которую необходимо оценить, а во-вторых, при рассеянии на звуке существенно изменяется структура излучаемого радиосигнала, который приобретает в процессе рассеяния дополнительную амплитудную и угловую модуляцию [1].

Устранение погрешности

Для устранения систематических погрешностей необходимо учитывать изменение формы радиосигнала при его взаимодействии с акустическим колебанием. Форма рассеянного радиосигнала может быть определена с использованием функции рассеяния (2) [3].

да * . ,

F(г, q) = \ Е(2г'-г)£ (г')епг dr', (2) —да

где q = 2ke — к, - параметр расстройки условия Брэгга; к, = 2ц[$ / с, - волновое число для звука; ke = 2л[ / с - волновое число электромагнитной волны; г - смещение сигналов по координате «дальность»; Е(2г'-г) - пространственная огибающая радиосигнала; £ (г') - пространственная огибающая акустического сигнала; - частота акустического сигнала; / - частота электромагнитного сигнала.

В качестве информационного параметра необходимо использовать расстройку условия Брэгга q, которая функционально связана со скоростью звука (3)

С =-—— . (3)

4п ' / / с - q При формировании опорных сигналов необходимо учитывать зависимость энергии формируемых сигналов от q.

Таким образом, устройство обработки радиосигнала, устраняющего систематическую ошибку (рис. 1), должно представлять собой схему, состоящую из N корреляторов, где в качестве опорных сигналов используются колебания F сформированные согласно функции рассеяния, а выходные сигналы кор-

реляторов корректируются в соответствии с энергией опорных сигналов.

Работа схемы построена таким образом, что между принимаемым сигналом Fy ) и совокупностью опорных колебаний Fвычисляются значения корреляционных интегралов. Далее эти значения подвергаются коррекции путем вычитания из соответствующего выходного значения коррелятора соответствующей величины Qx, которая определяется энергией опорного сигнала соответствующего коррелятора Qx = | F2(г, q)dг . В результате на выходе

коррелятора после коррекции, если использовать зондирующие сигналы с прямоугольными огибающими, формируется сигнал, показанный на рис. 2 при условии, что параметр расстройки условия Брэгга принимаемого сигнала, например, равен нулю qm = 0 .

18

16 м

14

12

6 е-1 00 о :

в 4 л1|| А -

2 АvvVVV! IvVVvvvx

"-1 -0.5 0 0.5 1 Ч Рис. 2. Выходной сигнал коррелятора после коррекции при условии, что qm = 0

Выходной сигнал описывается выражением (4)

Z(q , q) = m

Т

F (q ,q)

m

--Q ,

2 *

(4)

где F, q) =1 Fv (г, qm)' F (г, q)dг - функция 0 У

взаимной корреляции входного полезного сиг-

Т *2

нала и опорного сигнала; Qx = ] F (г, q)dг -

энергия опорного сигнала.

По наибольшему из полученных после коррекции значений принимается решение о величине оцениваемого параметра qm .

Чтобы оценить потенциальную точность определения параметров атмосферы предложенным алгоритмом, необходимо вычислить среднеквадратическое отклонение (СКО) оценки значения расстройки условия Брэгга от ее истинного значения. Так как в предложенном алгоритме оценка скорости звука осуществляется по энергетическому параметру q, то СКО определяется по формуле (5) [4]

D =

=

d S(ql5 q2)

6q1 • 6q2

(5)

где Sq2) - сигнал на выходе оптимального приемника (сигнальная функция) - представляет собой функцию взаимной корреляции входного полезного сигнала и опорного сигнала с различными текущими значениями параметров q1 и q2.

Следящая система РАЗ атмосферы

Для упрощения системы РАЗ атмосферы необходимо вместо схем обработки сигналов с многоканальными корреляторами реализовать следящую схему обработки сигналов системы РАЗ, которая работает по упрощенному оптимальному алгоритму обработки сигнала, где упрощение достигается за счет использования значения оцениваемого параметра, определенного на предыдущих циклах наблюдения.

Схема следящего устройства обработки радиосигнала на основе двухканального коррелятора, также устраняющая систематическую ошибку, показана на рис. 3 [5].

Работа схемы отвечает уравнениям (т \

I |F(г,q0)F(г,ql)dr - Е(ql)

JF(r,2о)F(r,q2)dr - Eq)

J F (r, q)F (r, qi)dr - E (q{)

0

/ t

JF(r, q)F(r, q2)dr - Efe)

Л

(6)

F(r,q„)

= 0

(7)

нием функции рассеяния, F(г, q0), F(г, q) -сигналы с соседних циклов измерения, х - разница, по которой определяется величина отличия между q0 и q .

Схема состоит из датчика температуры, дискриминатора, управителя, генератора опорных сигналов и устройства коррекции. Датчик температуры измеряет температуру на первом уровне трассы зондирования и в соответствии с измеренной температурой формирует управляющий сигнал. Сигнал с датчика температуры задает генератору опорных сигналов значения параметров расстройки условия Брэгга q1 и q2, с которыми необходимо сформировать опорные сигналы для второго уровня трассы зондирования, такие, что разница между корреляционными интегралами сигнала принимаемого с первого уровня трассы зондирования и опорных сигналов равнялась нулю (6).

Опорные сигналы поступают на устройство коррекции, которое формирует корректирующий сигнал в соответствии с энергией опорных сигналов и на дискриминатор, состоящий из двухканального коррелятора и 3-х вычитающих устройств. Дискриминатор вычисляет разницу и (8) между корреляционными интегралами сигнала, принимаемого с некоторого уровня трассы зондирования, и опорных сигналов удовлетворяющих уравнению (5). (т \

IF(г, q)F(г, q1)dr - Е(^)

V 0 у

'т \

= и

(8)

-I |F(г,q)F(г, q2)dг - Е V 0 у

где F(г, q) - сигнал, принимаемый с некото-

Пгл)

I

X

3.

1 Вычитающее

устройство 1 *

Х- 1

устройство 2

= X

Датчик

температуры

воздуха

Синтезатор

опорных

сигналов

E{ch)

где F(г, q1) и F(г, q2) - опорные сигналы, сформированные с использова-

устройство 3

Управитель

Устройство коррекции

Рис. 3. Следящее устройство обработки сигналов систем РАЗ атмосферы

-i

рого уровня трассы зондирования.

Выходное напряжение дискриминатора определяется дискриминационной характеристикой (ДХ) (рис. 4). Дискриминационная характеристика - это зависимость напряжения и на выходе дискриминатора от разницы V = q - q0, где q - расстройка условия Брэгга на некотором уровне трассы зондирования, q0 - расстройка условия Брэгга на предыдущем уровне трассы зондирования. Протяженность линейного участка ДХ для заданных зондирующих колебаний определяется величиной 2Д, на которую отличаются параметры расстройки условия Брэгга q1 и q2 опорных сигналов.

2.5

0.5 имв 0 -0.5

-Î

1 -0 08 -0 06 -0 04 -0 02 0 0 02 0 04 0 06 0 08 0 1

Рис. 4. Пример зависимости и(у) в случае использования зондирующих сигналов с прямоугольными огибающими

Напряжение с выхода дискриминатора поступает на управитель, который в соответствии с ДХ вычисляет расстройку условия Брэгга на текущем уровне трассы зондирования. Далее значение расстройки используется при формировании управляющего сигнала, который задает генератору опорных сигналов значения параметров расстройки условия Брэгга, при которых напряжение на выходе дискриминатора для сигнала с текущего уровня трассы зондирования будет стремиться к нулю.

Выводы

В статье синтезирован упрощенный оптимальный алгоритм обработки сигналов и сформулированы предложения по совершенствованию существующих систем РАЗ. В результате син-Поступила 26 июня 2013 г.

Информация об авторах

теза получена структура дискриминатора, позволяющего производить оценки без систематической ошибки, свойственной системам РАЗ, использующим измерители доплеровской частоты. Устранение систематической ошибки достигается за счет формирования опорных сигналов дискриминатора в соответствии с преобразованиями, которым сигнал подвергается в локационном акустическом канале. Опорные сигналы формируются с помощью функции рассеяния. Значения корреляционных интегралов в дискриминаторе корректируются с учетом энергий формируемых опорных сигналов.

Оценка скорости звука в предложенном алгоритме производится по энергетическому параметру сигнала, в связи с чем значения корреляционных интегралов в двухканальной схеме корректируются с учетом энергий формируемых опорных сигналов. Оценка скорости звука по энергетическому параметру достаточно непривычна, поскольку в радиолокации утвердилась точка зрения, что определение скорости движения объекта осуществляется посредством оценки неэнергетических параметров сигнала, чаще всего частоты колебаний.

Литература

1. Каллистратова М.А, Кон А.И. Радиоакустическое зондирование атмосферы. М.: Наука, 1985. 200 с.

2. Тихонов В.И. Оптимальный прием сигналов. М.: Радио и связь, 1983. 320с.

3. Карташов В.М. Модели и методы обработки сигналов систем радиоакустического и акустического зондирования атмосферы. Харьков: ХНУРЭ, 2011. 234 с.

4. Куликов Е.И., Трифонов А.П. Оценка параметров сигналов на фоне помех. М.: Сов. Радио, 1978. 296 с.

5. Карташов В.М., Куля Д.Н., Пащенко С.В. Алгоритм автосопровождения изменений информационного параметра сигнала радиоакустических систем // Восточно-Европейский ЖУРНАЛ передовых технологий. Харьков, 2012, № 4/9(58). С. 57-61.

Карташов Владимир Михайлович - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой радиоэлектронных систем харьковского национального университета радиоэлектроники.

E-mail: [email protected].

Куля Дмитрий Николаевич - аспирант кафедры радиоэлектронных систем харьковского национального университета радиоэлектроники.

E-mail: [email protected].

Кушнир Маргарита Владимировна - аспирантка кафедры радиоэлектронных систем харьковского национального университета радиоэлектроники.

Адрес: пр. Ленина 14, г. Харьков, 61166 Украина.

English

Analysis and Synthesis of Algorithms of Signals Processing in the Systems of Radiosonic Sounding of the Atmosphere

Kartashov Vladimir Mihajlovich - the Doctor of technical sciences, professor, Head of radioelectronic systems department of the Kharkov national university of radioelectronics.

Kulia Dmitrij Nikolaevich - Postgraduate student of radioelectronic systems department of the Kharkov national university of radioelectronics.

Kushnir Margarita Vladimirovna - Postgraduate student of radioelectronic systems department of the Kharkov national university of radioelectronics.

Address: 61166 Ukraine, Kharkov, Lenin Avenue 14.

Abstract: Most of the known atmospheric radioacoustic sensing (RAS) systems are designed to measure the air temperature, which is functionally related to the velocity of sound in the medium.The available methods for processing signals of Radio-Acoustic Sounding Systems (RASS) of atmosphere are analyzed. In the existing systems the sound velocity is determined according to the Doppler frequency shift of electromagnetic waves scattered at the sound premise. Therefore, signal processing methods of atmospheric radioacoustic sensing systems are designed as the Doppler frequency measuring devices and divided into methods that use frequency adjustment to provide the Bragg condition, and methods without frequency adjustment. The multi-channel correlation processing scheme is used to estimate the Doppler frequency. The frequency adjustment method needs a considerable amount of time for sensing. The method without frequency adjustment is characterized by a significant magnitude of systematic errors because it does not take into account the scattered signal energy dependence on the speed of sound and shape changing of radio signal reflected from a sound premise. More perfect methods are developed. Methods are forming estimates of the maximum probability of fluctuations informative parameters, taking into account working conditions and restrictions, for the given systems. The developed methods eliminate systematic error inherent to the Doppler RAS systems. To eliminate systematic errors of measurement when multi-channel correlation processing scheme is used in channels it is necessary to form reference signals using a mathematical model of the scattering channel which determines a radio signal shape dependence on the Bragg condition detuning if a radio signal is reflected from acoustic premise. The Bragg condition detuning is functionally related to the velocity of sound and the reference signal energy depends on Bragg condition detuning. The analysis quality of the synthesized algorithms was carried out through calculation of the estimations potential accuracy received with such algorithms. The Bragg condition detuning measurement and accounting of reference signal energy dependence on Bragg condition detuning give a possibility to receive a more accurate estimate of sound speed. The algorithm practical implementation will make it possible to raise essentially efficiency the sounding and accuracy of received results of measurements characteristics environment.

Key words: processing of signals, radio, acoustics, potential accuracy, error elimination.

References

1. Kallistratova M.A., Kon A.I. Radiosonic Sounding of the Atmosphere. M.: Science, 1985. 200 p.

2. Tikhonov V.I. Optimal Signal Reception. M.: Radio and Communication, 1983. 320 p.

3. Kartashov V.M. Models and Processing Methods of Signals of Systems of Radiosonic and Echo Sounding of the Atmosphere. Kharkov: HNURE, 2011. 234 p.

4. Kulikov E.I., Trifonov A.P. Estimating Signal Parameters against Interference Background. M.: Sov. Radio, 1978. 296 p.

5. Kartashov V.M., Kulya D.N., Pashchenko S.V. Algorithm of Autotracking Changes of the Signal Information Parameter of Radiosonic Systems // the East European Journal of Advanced Technologies Kharkov. 2012, № 4/9 (58). Pp. 57-61.