Стробоскопічний спосіб реєстрації сигналів

Стробоскопічний спосіб реєстрації сигналів, відповідно до якого з повторюваного сигналу, що реєструється, при кожному повторенні здійснюють вибірку з заданою часовою затримкою відносно початку сигналу, при цьому напругу, пропорційну амплітуді сигналу, яка усереднена протягом тривалості вибірки, зберігають в нагромаджувачі, при C2 1 3 ном задану кількість разів і додають в накопичувач, сумарну напругу перетворюють в цифровий вигляд і в цифровому вигляді зберігають в масиві даних, потім здійснюють вибірки із сигналу, затримуючи їх за часом відносно початку сигналу на інтервал, що дорівнює заданому кроку зчитування, а сумарну напругу для вказаного кроку зчитування в цифровому вигляді дописують в масив даних, для реєстрації всього сигналу здійснюють вибірки, збільшуючи затримку за часом відносно початку сигналу на задану кількість кроків зчитування, при цьому в масиві даних кожному кроку зчитування ставлять у відповідність число, яке дорівнює сумарній напрузі, перетвореній в цифровий вигляд на відповідному кроці зчитування. Причиною, яка перешкоджає використанню цього способу в підповерхневій радіолокації для реєстрації як відбитих від при поверхневих об'єктів потужних надширокосмугових імпульсних сигналів, в спектрі яких присутні високочастотні складові, так і відбитих від об'єктів, що знаходяться на великих глибинах, малопотужних сигналів, верхня гранична частота спектра яких знаходиться в більш низькочастотній області, є обмеження можливостей реєстрації малопотужних сигналів через мале співвідношення сигнал/шум. Недоліки прототипу обумовлені тим, що в ньому під час реєстрації сигналу з використанням стробоскопічного перетворення залишають незмінною тривалість вибірки, яка визначає ширину робочої смуги частот і коефіцієнт передачі перетворювача. При цьому рівень шуму перетворювача, який залежить від робочої смуги частот та кількості накопичуваних вибірок, залишається незмінним в межах всього часу реєстрації сигналу. Крім того, в реальних стробоскопічних перетворювачах неодмінно існують струми витоку, які є причиною того, що під час зберігання енергії накопиченої протягом вибірки, загальна енергія в накопичувачі зменшується. При зменшенні амплітуди сигналу, який реєструється, настає момент, коли енергія, яку накопичено протягом вибірки, повністю втрачається в процесі збереження через струми витоку. За таких умов сигнал неможливо зареєструвати. Оскільки коефіцієнт передачі перетворювача, який залежить від тривалості вибірки, є незмінним під час спостережень, то рівень вхідного сигналу, при якому його неможливо зареєструвати, є однаковим на протязі всього часу спостереження. При апріорному знанні закономірностей згасання сигналу на інтервалі спостереження, яке є характерним для підповерхневої радіолокації, незмінність робочої смуги частот і коефіцієнта передачі перетворювача, не є доцільною, тому що це обмежує потенційно досяжну чутливість та відповідно динамічний діапазон радіолокатора. В основу винаходу поставлено задачу вдосконалити стробоскопічний спосіб реєстрації сигналів шляхом застосування одночасного та взаємообумовленого адаптивного регулювання коефіцієнта передачі та робочої смуги стробоскопічного перетворювача в залежності від амплітуди та спектра сигналів, які мають бути зареєстровані, що дозволить розширити динамічний діапазон приймача відеоімпульсного радіолокатора, а саме забезпе 96241 4 чити реєстрацію як потужних високочастотних сигналів, відбитих приповерхневими об'єктами, так і малопотужних низькочастотних сигналів, які відбито об'єктами, що знаходяться на великих глибинах. Поставлена задача вирішується тим, що в відомому стробоскопічному способі реєстрації сигналів, відповідно до якого з повторюваного сигналу, що реєструється, при кожному повторенні здійснюють вибірку з заданою часовою затримкою відносно початку сигналу, при цьому напругу, пропорційну амплітуді сигналу, яка усереднена протягом тривалості вибірки, зберігають в накопичувачі, подальші вибірки із сигналу здійснюють описаним чином задану кількість разів і додають в накопичувач, сумарну напругу перетворюють в цифровий вигляд і в цифровому вигляді зберігають в масиві даних, потім здійснюють вибірки із сигналу, затримуючи їх за часом відносно початку сигналу на інтервал, що дорівнює заданому кроку зчитування, а сумарну напругу для цього кроку зчитування в цифровому вигляді дописують в масив даних, для реєстрації всього сигналу здійснюють вибірки, збільшуючи затримку за часом відносно початку сигналу на задану кількість кроків зчитування, при цьому в масиві даних кожному кроку зчитування ставлять у відповідність число, яке дорівнює сумарній напрузі, перетвореній в цифровий вигляд на відповідному кроці зчитування, додатково при прийомі потужних найбільш широкосмугових сигналів тривалість вибірки зменшують, а зі зменшенням амплітуди та зменшенням верхньої граничної частоти спектра сигналів, які реєструють, тривалість вибірки збільшують. Суть винаходу пояснюється ілюстрацією, на якій показано діаграми, що пояснюють стробоскопічний спосіб реєстрації зі змінною тривалістю вибірки. Заявлений спосіб реалізується наступним чином. В процесі підповерхневої радіолокації реєструють повторюваний з періодом Ts сигнал, який є сумою, в даному випадку трьох сигналів: двох потужних сигналів - Ts , що пройшов безпосередньо з передавальної антени в приймальну, та S1( t ) , що відбитий поверхнею і близько розташованими об'єктами, і малопотужного сигналу S2 (t ) , відбитого глибинними об'єктами. Верхня гранична частота спектра потужних сигналів So (t ) та S1( t ) дорівнює 1 , а верхня гранична частота спектра малопотужного сигналу S2 (t ) дорівнює 2 . У зв'язку з тим, що в процесі розповсюдження сигналу в середовищі загасання високочастотних складових спектра сигналу більше  2  1 . Вибірки здійснюють в моменти часу t1  l  (Ts  t )  T0 , де t - крок зчитування сигналу, l - номер вибірки (l  [0...b...m...n...p...s]) , T0 початковий часовий зсув. За час  в накопичувачі формується напруга, пропорційна усередненій протягом  напрузі, яка надійшла від джерела сигналу. Надалі вибірку із сигналу, що реєструєть 5 ся (амплітуду напруги в накопичувачі), підсилюють та перетворюють у цифровий вигляд за допомогою АЦП, а числове значення напруги ставлять у відповідність часовому відліку перетвореного сигналу Tl  l  t і заносять в масив даних. При реєстрації сигналів So ( t )  S1( t ) великої амплітуди (номери вибірок від b до n ) здійснюють вибірки тривалістю  , яка визначає верхню граничну частоту робочої смуги частот 0,35 F1   1 , [М.И. Грязнов, М.Л. Гуревич, Ю.А. 1 Рябинин. Измерения параметров импульсов. Москва: Радио и связь, 1991. - C. 186]. При реєстрації слабкого сигналу S2 (t ) (номери вибірок від n до s ), відбитого глибинними об'єктами, здійснюють вибірки тривалістю 2  1 , яка визначає верхню граничну частоту робочої смуги частот 0,35 F2   2 .  2 При такому способі стробоскопічного перетворення виявляється, що коефіцієнт передачі стробоскопічного перетворювача під час реєстрації слабкого сигналу S2 (t ) підвищується порівняно з коефіцієнтом передачі того ж стробоскопічного перетворювача під час реєстрації потужного сигналу S1( t ) , Це зумовлено тим, що коефіцієнт передачі стробоскопічного перетворювача K залежить від тривалості вибірки  та постійної часу заряду накопичувача  [Ю.А. Рябинин. Стробоскопическое осциллографирование. - Москва: Сов. радио, 1972. - C. 40]:  (1) K ,  Оскільки 2  1 , то, згідно з виразом (1),  2   K1  1 .   До складу шумової напруги стробоскопічного перетворювача входять складові білого шуму  2 і w K2  дробового шуму напівпровідників  2 , які залежать d від робочої смуги частот стробоскопічного перетворювача [Ю.А. Рябинин. Стробоскопическое осциллографирование. - Москва: Сов. радио, 1972. C. 157-158]: (2) 2  4kTR eq1F, w (3) 2  2qIforR 2 F, d eq2 де k - стала Больцмана, T - абсолютна температура, R eq1 , R eq2 – еквівалентні опори стробоскопічного перетворювача, F - робоча смуга частот стробоскопічного перетворювача, q - елементарний заряд, Ifor – прямий струм напівпровідника. Оскільки робоча смуга частот стробоскопічного перетворювача F є обернено пропорційною до тривалості вибірки, то при збільшенні тривалості 96241 6 вибірки з 1 , до 2 рівень шумів стробоскопічного перетворювача знижується і стає можливою реєстрація сигналів, які були нижче рівня шумів при стробоскопічному перетворенні сигналу з тривалістю вибірки 1 . В прототипі збільшення співвідношення сигнал/шум забезпечується накопиченням енергії від великої кількості сигналів. Однак, частина енергії, відібраної від сигналу в процесі вибірки, втрачається під час зберігання в накопичувачі. Щоб зареєструвати сигнал, необхідно щоб виконувалась умова співвідношення енергій: E( t n ; )  I2  Ts u2 ( t n )    PC  C , Rin  Rk RC (4) де E( tn, t ) - енергія, відібрана від сигналу протягом вибірки, u( tn ) - миттєва напруга сигналу в процесі здійснення вибірки, Rin - вхідний опір лінії передачі, Rk - внутрішній опір вхідної ланки стробоскопічного перетворювача, PC - втрати в накопичувані через струм витоку, IC - струм витоку накопичувана, RC - еквівалентний опір накопичувача в процесі збереження. При малому рівні сигналу енергія, відібрана протягом вибірки, дорівнює втратам в накопичувачі. В результаті накопичення не дає очікуваного приросту амплітуди прийнятого сигналу, а реєстрація сигналу стає неможливою. Однак енергію E( tn, ) можна збільшити, збільшивши тривалість вибірки  так, щоб вона задовольняла умову (4). Для накопичення вибірок протягом L періодів вибірку здійснюють L разів в моменти, які відповідають одному й тому ж часовому відліку. Вибірки тривалістю здійснюють в моменти  , де n - ціла частина дробу t1  n  t  l  Ts  To l , яка також є і номером часового відліку. В ці L моменти напругу, пропорційну усередненій протя гом  напрузі джерела сигналу u( t l ) , додають в loL 1 накопичувач та отримують U (Tn )   Ku( t l ) lo сумарну напругу від L вибірок. Сумарну напругу перетворюють в цифровий код. Отримане число дорівнює амплітуді перетвореного сигналу, яка відповідає часовому відліку в масиві даних, що дорівнює Tn  n  t . Оскільки в процесі накопичення в накопичувач додають однакові амплітуди напруги, які відповідають одному й тому ж номеру часового відліку l0 n  , то можна записати U (Tn )  LKun , де l un  u( tlo )  u( tlo1)  ...  u( tloL 1) . Це співвідношення показує, що для досягнення однієї й тієї ж сумарної напруги в стробоскопічних перетворювачах з різними тривалостями вибірок 1 та 2 7 потрібні різні кількості вибірок. При цьому справедливою є пропорція L11  L22 , де L1 , L 2 кількості накопичуваних вибірок. Таким чином, при збільшенні тривалості вибірки 2  1 , необхідно робити менше вибірок для досягнення тієї ж амплітуди сумарної напруги. Останнє може бути важливим в тих випадках, коли під час реєстрації сам сигнал змінюється за формою І, відтак уповільнення процесу вимірювання призводить до викривлення форми вимірюваного сигналу. Якщо ж зробити ту ж саму кількість вибірок L , то амплітуда сумарного накопиченого сигналу виявиться в 2 / 1 раз більше. Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська 96241 8 Запропонований стробоскопічний спосіб реєстрації сигналів дозволяє розширити динамічний діапазон приймача радіолокатора підповерхневого зондування та реєструвати як потужні високочастотні сигнали, відбиті від приповерхневих об'єктів, так і малопотужні низькочастотні сигнали, відбиті від об'єктів, що знаходяться на великих глибинах. Цей технічний результат досягається завдяки одночасному збільшенню коефіцієнта передачі стробоскопічного перетворювача та зменшенню рівня шуму, обумовлених збільшенням тривалості вибірки. Запропонований спосіб дозволяє також скоротити час, необхідний для реєстрації слабких сигналів, які надходять від глибинних об'єктів. Підписне Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601