CC BY
78
4. . ., . . -
ных значений трехдиагональных матриц - Таганрог. госуд. педагогич. ин-т. - Таган-
рог. - 2QQ7. - 23 с. - Деп. В ВИНИТИ Q7.11.Q7, №1Q29.
5. . ., . .
для трехдиагональных матриц. // Вторая Международная научная конференция «Су-
SSA' 2QQS». - . - -
руси. - 2QQS. - С. 2S6-29Q.
6. Ромм Я.Е. Локализация и устойчивое вычисление нулей многочлена на основе сортировки. I // Кибернетика и системный анализ. - Киев. - 2QQ7. - № 1. - С. 165-182.
7. . . -
ровки. II // Кибернетика и системный анализ. - Киев. - 2QQ7. - № 2. - С. 161-174.
S. . . . I // -
ка и системный анализ. - 1994. - № 5. - С. 3-23.
9. . .
основе сортировки с приложением к моделированию устойчивости систем линейных
. - , 2QQ9. -
ние ученой степени канд. техн. наук. - 19 с.
Богданенко Елена Николаевна
« ».
E-mail: [email protected].
347924, . , . , . 4S.
Тел.: +795149S3QS2.'
Bogdanenko Helena Nickolaevna
GOUVPO the «Taganrog state pedagogical college».
E-mail: [email protected].
48, Initiative street, Taganrog, 347924, Russia.
Phone: +795149S3QS2.
УДК 621.396.965.621.391.26
E.A. Самойличенко
ОСОБЕННОСТИ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ ЭХО-СИГНАЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ ГИДРОЛОКАЦИОННОЙ СТАНЦИИ В ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЕ МОНИТОРИНГА ДВИЖУЩИХСЯ
ОБЪЕКТОВ
В статье рассматривается вопрос предварительной обработки эхо-сигналов информационной системой мониторинга движущихся объектов на базе ГЛ. Приводится алгоритм удаления реверберационных помех и собственных шумов водоёма и описывается влияние параметров алгоритма на результаты его работы.
Гидролокатор; эхо-сигналы; гидролого-атстическая обстановка; движущиеся объекты; информационная система; предварительная обработка сигналов; обнаружение объ-
; ; .
E.A. Samoylichenko
FEATURES OF PRE-PROCESSING OF THE SONAR ECHO SIGNALS IN AN INFORMATION SYSTEM FOR MONITORING MOVING OBJECTS
The article examines pretreatment echo information system for monitoring moving objects based on the sonar. The article gives an algorithm for removing reverberation noise and intrinsic noise of the reservoir and the influence of the parameters of the algorithm on the result of his work.
Sonar, echo-signals; moving objects; information system; signal pre-processing; object detection; noise suppression; reverberation noise.
Информационная система мониторинга движущихся объектов (ИСМДО), построенная на базе гидролокатора (ГЛ) предназначена для наблюдения за движущимися в водной среде объектами. Система автоматически обнаруживает движущиеся объекты и присваивает им идентификационные номера. Для каждого объекта ИСМДО рассчитывает параметры его движения, и координаты и сохраняет в базу данных персонального компьютера (ПК) автоматизированного рабочего места (АРМ) оператора. В ИСМДО реализована многоступенчатая обработка эхо, -.
Задачей предварительной обработки является подготовка данных для дальнейшей работы алгоритма обнаружения движущихся объектов, а именно удаление помеховых сигналов и повышение отношения сигнал/шум. В данной статье рассмотрен один из вариантов выполнения предварительной цифровой обработки
- , .
ИСМДО является работа в реальном масштабе времени, что накладывает жёсткие рамки на время обработки полученной эхо-сигнальной информации. Вся вторичная обработка должна укладываться в период зондирования ГЛ. Таким образом, при синтезе алгоритма предварительной обработки были выбраны следующие критерии:
♦ алгоритм должен быть легко реализуем на ПК;
♦ вычислительная сложность алгоритма должна быть минимальной;
♦
гидролого-акустических условиях;
♦ алгоритм должен работать с разн ыми типами движущихся объектов.
- .
На вход ИСМДО поступает информация об огибающей продетектированного эхо-сигнала. Этот сигнал, согласно принципу суперпозиции [1] волн с малой амплитудой, можно рассматривать в виде суммы помех и сигналов, отражённых от . , увеличению амплитуды результирующего сигнала, так и к её уменьшению.
Сигнал на входе ИСМДО представлен двумерным массивом A[0..N-1, 0.Ы-1] амплитуд отражённого сигнала, где N - количество секторов ГЛ, M - количество , . -ются одно за другим с периодом Tг.
В рамках данной статьи будем считать полезными лишь сигналы, отражённые от движущихся объектов. Остальные же сигналы примем за помеховые.
Основными источниками помехового сигнала при использовании стационарного ГЛ являются реверберация и собственные шумы водоёма [2]. Прочими же шумами, при условии отсутствия активных источников сигналов, можно пренебречь.
Реверберация является нестационарным случайным процессом: она создается зондирующим сигналом на неоднородностях среды и коррелирована с ним. Реверберация (5р) имеет две составляющие: постоянную (5рст), обусловленную рельефом водоёма и случайную (5рсл), вызванную колебаниями антенной части ГЛ, течениями, волнами и прочими неоднородностями среды:
5 5 5
‘-’р ‘-’рст ' ‘-'рсл-
( ), -
, -туды (при использовании частоты зондирующего импульса порядка нескольких ).
Реверберационные помехи и собственные шумы водоёма зависят от времени и пространственного распределения температуры водной среды. Для небольших водоёмов с плохим перемешиванием воды характерно суточное изменение распределения температуры Тр(х,у,2,а • £) при наличие ярко выраженных слоёв, соответствующих перепадам температуры. Распределение температуры влияет на распространение лучей в водной среде, что в свою очередь приводит к изменению
. -ратуры в водоёме является медленным процессом (а<<1) по сравнению с перио-.
, -
янную составляющую реверберационной помехи и учесть влияние случайных по-( ). -ется сравнение занчений сигнала с некоторым пороговым значением.
Распространяющийся в водной среде сигнал рассеивается и поглощается сре-, , , отражённого от него сигнала. Таким образом, для каждого отсчёта эхо-сигнала необходимо рассчитывать своё пороговое значение.
Стационарную составляющую реверберационной помехи в каждой точке озвученной ГЛ пространства можно рассчитать путём накопления в течение времени Тп значен ий эхо-сигнала и дальнейшего его усреднения по времени. При достаточно большом значении Тп случайную составляющую эхо-сигнала можно считать :
5рсл + 5СВ () ^ 0 при Т^ Юп.
Движущийся объект постоянно изменяет своё положение в пространстве, а,
,
влиять на среднее значение амплитуды полученного сигнала.
Таким образом, усреднение массива пороговых значений за время Тп потребует
накопления К= ^ | посылок ГЛ. Расчёт массива значений постоянной составляющей реверберационной помех 5рст[0..Л? — 1,0..М — 1] и осуществляется сле-:
%ст(*'7) = Ш %(1’])/К ■ (1)
Плотность распределения случайных помех после детектирования и построения огибающей подчиняется обобщённому закону Рэлея [3]. Математическое ожи-
дание такого сигнала равно Мх = • 8 о, а дисперсия В = (2 — -) • 8 . Так как
полученные ранее значения 5рст как раз и являются математическим ожиданием , -точного отклонения л/Ъ. Таким образом, определив л/П = ^ - 1 • Мх, можно найти границы доверительного интервала, в пределах которого может меняться значение помехового сигнала:
Мх - 4о<^а<мх+ у[й,
где
У5 = 5 + 5 + 5
А| ‘-'П ‘-'рст ' ‘-'рсл ' ‘-'СВ-
Значения верхнего и нижнего значения порога необходимо рассчитывать для каждого значения принятого эхо-сигнала. Следовательно, в результате получается три массива значений размерностью [0..Л? — 1,0..М — 1]:
1) 5Рст - массив значений постоянной составляющей реверберационной помехи;
2) иЬ- массив значений верхней границы помехового сигнала;
3) БЬ- массив значений нижней границы помехового сигнала.
Далее необходимо выделить из полученного эхо-сигнала полезный сигнал. Для этого воспользуемся пороговым алгоритмом, по которому каждое значение принимаемого эхо-сигнала а(ї^) сравнивается с по роговым значением. В нашем случае имеем для каждого отсчёта входного сигнала пару пороговых значений. В результате работы алгоритма формируется массив Л[0...Л?-1,0. .М-1]. Для нахождения амплитуды отражённого от объекта сигнала необходимо вычесть из неё амплитуду помехи в данной точке пространства:
Для определения пороговых значений БЬ и иЬ воспользуемся нормированным порогом к с заданной вероятностью ложной тревоги Рлт :
Опишем полученный алгоритм предварительной обработки эхо-сигналов:
1) накопление К посылок ГЛ в течение времени Тп;
2) расчёт массива средних значений 5рст постоянной составляющей реверберационной помехи согласно (1);
3) расчёт массивов граничных значений иЬ и БЬ согласно (4) и (5) соответст-
;
4) (2) -
сигналов и расчёт значений массива А ;
5) перерасчёт значений массивов 5рст , иЬ и БЬ.
Перерасчёт массива значений 5рст необходимо осуществлять после каждого . ,
изменяющимся со временем гидролого-акустическим условиям водной среды.
Параметры алгоритма предварительной обработки эхо-сигналов.
Рассмотрим влияние параметров алгоритма предварительной обработки эхо-сигналов на результат его работы.
К - количество посылок ГЛ, по которым осуществляется усреднение и расчёт значений массива 5рст. Увеличение значения параметра К повышает точность расчёта среднего значения, но в то же время повышает влияние временного изменения постоянной составляющей реверберационной помехи. Таким образом,
К, -
акустические условия водоёма можно считать постоянными. Также величина К
(2)
(3)
,
ищ,]) = ищ,]) = 5рст(і,у) + /г • J(£-ї) ■ 5рст(і,Л
:
(4)
■ (і -
(5)
определяет время выхода ИСМДО в рабочий режим, что может быть в некоторых случаях очень важно.
Рлт - вероятность ложной тревоги. Этот параметр напрямую влияет на величину порогового значения. Установка завышенного значения может привести к ложному подавлению полезного сигнала. Слишком заниженное значение вероятности ложной тревоги занизит пороговое значение алгоритма и, как следствие, уменьшит эффективность подавления помех. Следует помнить, что подавление полезного сигнала приведёт к потере ИСМДО движущихся объектов, а недостаточное ослабление - .
Примечания.
Периодическое появление импульсных высокоамплитудных помех может существенно завысить пороговые значения алгоритма и, как следствие, привести к подавлению полезного сигнала. Источниками таких помех могут быть, например, движущиеся в водной среде суда, оборудованные двигателями внутреннего сгорания.
,
,
пороговое значение. Эхо-сигнал от такого объекта будет автоматически подавлен и объект будет потерян. В этом случае целесообразно использовать некоторую задержку K, величина которой выбирается исходя из максимального времени . ,
K , K , -
ляется как и раньше по K посылкам.
В заключение следует отметить, что представленный алгоритм легко реализуем на ПК. После определённых оптимизаций позволяет достаточно быстро осуществлять подавление помеховых сигналов в принимаемом эхо-сигнале. При правильной настройке параметров обеспечивает хорошие результаты работы, а также автоматически подстраивается под изменяющиеся со временем условия среды.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Бакутин ПА., Жулина Ю.В., Иванчук НА. Обнаружение движущихся объектов / Под ред. ПА. Бакута. - М.: Сов. Радио, 1980. - 288 с.
2. Яковлев AM., Каблов ГМ: Гидролокаторы ближнего действия. - Л.: Судостроение, 1983. - 200 с.
3. Вопросы статистической теории радиолокации в 2-х т. / ПА. Бакут, И.А. Большаков, Б.М. Герасимов и др. / Под ред, ГЛ. Тартаковского. - М.: Сон. радио, 1963, 1964.
4. Ольшевский В.В. Статистические методы в гидролокации. - Л.: Судостроение, 1983.
- 280 с.
5. Дятлов АЛ., Дятлов ПА. Анализ и моделирование обнаружителей сигналов: Методические
- . - : - , 2002. - 82 .
Самойличенко Евгений Александрович
Особое конструкторское бюро “Ритм” Южного федерального университета.
E-mail: [email protected].
347900, г. Таганрог, ул. Петровская, 99.
Тел.: 88634311933.
Samoylichenko Evgeniy Aleksandrovich
Southern Federal University Specialized Design Bureau “RITM”.
E-mail: [email protected].
99, Petrovskay street, Taganrog, 347900, Russia.
Phone: +78634311933.
i22
