Гидролокация - кто поможет?

[Sanyok]

проблема более сложна, чем я мог представить... Это что, по каждому каналу могут приниматся N (N = 1..20) сигналов, сдвинутых во временной и/или частотной области, так?

[nsemenoff]

Sanyok писал(а):

:( проблема более сложна, чем я мог представить... Это что, по каждому каналу могут приниматся N (N = 1..20) сигналов, сдвинутых во временной и/или частотной области, так?

Да, сигнал отражается от большого количества отражателей в зависимости от размеров этих отражателей, угла падения и коэффициента отражения, эти отраженные сигнальчики суммируются и попадают на один приемник И разделить их в пространстве невозможно, не позволяют габариты приемника, приходится разделять их в цифровом виде. А для этого сигналы нужно "сжать" во времени и по спектру...
Кстати, вопрос - что может дать БПФ от автокорреляционной функции? Может быть можно считать доплеровский сдвиг от автокорреляционной функции? Но тогда как обеспечить согласованный прием по времени?

[Sanyok]

Цитата:

Кстати, вопрос - что может дать БПФ от автокорреляционной функции? Может быть можно считать доплеровский сдвиг от автокорреляционной функции? Но тогда как обеспечить согласованный прием по времени?

Вот уж не знаю. На первый взгляд кажется, что АКФ от зондирующего широкополосного сигнала должна иметь вид дельта-функции (ну не совсем, конечно, но что-то типа того ) а следовательно - очень широкий спектр... А вот по взаимно-корреляционной функции зондирующего и принятого сигнала можно что-то вытащить (а конкретно - время м/у уходом зондирующего сигнала и приходом отраженного).... Но если я не ошибаюсь, то именно это (расчет взаимной корр. ф-ции) и делает согласованный фильтр.

Насколько я понимаю, требования сжать сигналы во временной области и частотной являются прямо противоположными, и одним выстрелом двух зайцев тут не убьешь. Т.е. использование широкополосного сигнала позволяет достаточно точно измерить время задержки прихода ответного импульса (сжатие во временной области). Для сжатия в частотной области нужно нечто прямо противоположное - например, использовать в качестве сигнала длинную синусоидальную пачку стабильной частоты. Никто не запрещает излучать и принимать такие сигналы одновременно. (они могут даже в частотной области перекрыватся, я думаю - ничего страшного).
Алгоритм следующий:
1) Записываем кусок сигнала.
2) По одному (синусоидальному) сигналу определяем допплеровский сдвиг.
3) На значение этого сдвига смещаем центральную частоту фильтра, согласованного с шумоподобным широкополосным сигналом.
4) Пропускаем сигнал через энтот фильтр.

Извиняюсь, если написал банальности и не в тему...

[Someone]

Я где-то читал, что дельфины используют для гидролокации сигналы весьма сложной структуры - какую-то комбинацию коротких импульсов и свистов переменной частоты (я плохо помню, что именно я об этом читал, прошу прощения, если чего напутал). Это не связано как-то с обсуждаемыми проблемами?

[nsemenoff]

Sanyok писал(а):

Цитата:

Кстати, вопрос - что может дать БПФ от автокорреляционной функции? Может быть можно считать доплеровский сдвиг от автокорреляционной функции? Но тогда как обеспечить согласованный прием по времени?

Вот уж не знаю. На первый взгляд кажется, что АКФ от зондирующего широкополосного сигнала должна иметь вид дельта-функции (ну не совсем, конечно, но что-то типа того ) а следовательно - очень широкий спектр...

Это понятно, но для сигнала с небесконечной полосой на АКФ будут характерные всплески. Может быть можно их как-то использовать? Просто такой способ будет здорово уменьшать соотношение сигнал/шум (считаем шум белым)... Но как его использовать?

Sanyok писал(а):

А вот по взаимно-корреляционной функции зондирующего и принятого сигнала можно что-то вытащить (а конкретно - время м/у уходом зондирующего сигнала и приходом отраженного).... Но если я не ошибаюсь, то именно это (расчет взаимной корр. ф-ции) и делает согласованный фильтр.

Да, это именно согласованный фильтр, но он плох тем, что очень чувствителен к смещению частоты. Поэтому таких фильтров должно быть очень много - по одному на каждый сдвиг частоты (то есть сотни и тысячи параллельных фильтров)

Sanyok писал(а):

Насколько я понимаю, требования сжать сигналы во временной области и частотной являются прямо противоположными, и одним выстрелом двух зайцев тут не убьешь.

Тут ты не прав - есть понятие сложности сигнала, то есть произведение длительности на ширину полосы сигнала. Для точного определения времени прихода сигнала нужно увеличивать полосу сигнала, а для точного определения частоты - длительность. Физическое ограничение - это сложность сигнала, которая не может быть больше единиц тысяч. При больших значениях такой сигнал будет разваливаться из-за шумов, многолучевого распространения и разности в смещении частоты в начале и конце посылки. Исходя из этих предпосылок и выбирается длительность сигнала 100мс и полоса 1-2 КГц...

Sanyok писал(а):

Никто не запрещает излучать и принимать такие сигналы одновременно.

Запрещает. Тот же физический смысл - посылка идет на мощностях, в несколько десятков тысяч раз превышающих прием. И прием при таком генераторе помех в непосредственной близости от приемника невозможен. Поэтому прием и излучение разнесены по времени.

Sanyok писал(а):

Алгоритм следующий:
1) Записываем кусок сигнала.
2) По одному (синусоидальному) сигналу определяем допплеровский сдвиг.
3) На значение этого сдвига смещаем центральную частоту фильтра, согласованного с шумоподобным широкополосным сигналом.
4) Пропускаем сигнал через энтот фильтр.

Давай смотреть вместе:
1. да, мы знаем, какой сигнал послали
2. мы не можем найти этот синусоидальный кусочек сигнала, так как энергетически он находится ниже уровня шума. Чтобы его найти необходимо воспользоваться согласованным фильтром по всему сигналу, чтобы собрать всю энергию сигнала в узком временном диапазоне. Тогда мы увидим всплеск выше уровня шума. До этого мы ни увидить ни как-нибудь измерить параметры кусочка сигнала никак не можем.
Плюс если сигнал многолучевой, то на приемнике складывается несколько сигналов с разными величинами сдвига частоты. А сумма двух синусов с близкими частотами на практике за ограниченный интервал времени никак не разделяется (колебания амплитуды с разностной частотой никак не выделить).
3. пока мы не знаем, куда сдвинулась частота, приходится вычислять согласованные сильтры для всех возможных сдвигов частот - очень много параллельных вычислений...

Так что проблема остается - как найти величину доплеровского сдвига частоты сигнала, если о самом факте наличия сигнала в приемнике мы можем выяснить только после согласованного приема, для которого необходимо знать эту величину сдвига :)

[nsemenoff]

Someone писал(а):

Я где-то читал, что дельфины используют для гидролокации сигналы весьма сложной структуры - какую-то комбинацию коротких импульсов и свистов переменной частоты (я плохо помню, что именно я об этом читал, прошу прощения, если чего напутал). Это не связано как-то с обсуждаемыми проблемами?

Связано. Сам зондирующий сигнал мы, как и дельфины, решили использовать многочастотный (тот же свист переменной частоты и коротких импульсов). Сигналов таких много, они все достаточно хорошо изучены, и есть выбор по параметрам...
Но дельфин при приеме таких сигналов использует свой интеллект... Который нам и предстоит смоделировать. То есть нужно сделать (на уровне модели) такое устройство, которое будет определять точный пеленг, расстояние до объекта, скорость и направление движения этого объекта
Если есть мысли, как это устройство должно работать - присоединяйтесь к обсуждению

[Someone]

nsemenoff писал(а):

Но дельфин при приеме таких сигналов использует свой интеллект... Который нам и предстоит смоделировать.

А мозг у него большой и занят, похоже, главным образом анализом сигналов своего гидролокатора. Тяжко...

nsemenoff писал(а):

Если есть мысли, как это устройство должно работать - присоединяйтесь к обсуждению :)

Увы... Я просто поинтересовался, но помочь не знаю чем.

[Sanyok]

Тьфу, черт я написал "излучать и принимать одновременно" Я имел в виду - излучать одновременно широкополосный сигнал и узкополосный (двумя антеннами, к примеру). Кстати, не факт что при приеме узкополосный сигнал (та же синусоида) будет энергетически ниже уровня шума. У ШП-сигнала энергия "размазана" по спектру. У узкополосного - сосредоточена в узкой полосе частот. Если энергии этих сигналов будут при излучении одинаковы - при приеме и тот и другой сигнал мы обнаружим (либо - не обнаружим ни тот, ни другой). Для обнаружения синусоидального сигнала на фоне шума мне кажется просто надо получить спектральное представление сигнала. Во временном представлении мы его ясное дело, не увидим - шум забьет. А в спектральном представлении должен быть заметный выброс. Вот только время прихода такого сигнала (синусоидального) точно не определишь. Смысл моего предложения в том, что по узкополосному сигналу мы определяем величину доппл. сдвига (время прихода мы определить по нему точно не сможем), а потом, настроив соотв. образом согласованный фильтр - уже точно определить время прихода сигнала по его "широкополосной" составляющей.

Цитата:

Так что проблема остается - как найти величину доплеровского сдвига частоты сигнала, если о самом факте наличия сигнала в приемнике мы можем выяснить только после согласованного приема, для которого необходимо знать эту величину сдвига

Сдается мне, что в такой постановке задача просто перестает быть "решабельной" Получается порочный круг: надо узнать величину сдвига доппл. сдвига сигнала, для чего надо нам нужен согл. приемник, а что бы построить такой согл. приемник - нужно знать величину сдвига.

[Sanyok]

Цитата:

А сумма двух синусов с близкими частотами на практике за ограниченный интервал времени никак не разделяется (колебания амплитуды с разностной частотой никак не выделить).

А это почему? Понятно, тут есть какой-то предел - чем меньше разность частот двух синусоид, тем труднее их разделить. Если разность частот будет меньше, чем 1/Т, где Т-время наблюдения сигнала, то ничего не получится, это конечно. А вот если больше - то пуркуа бы и не па?

[nsemenoff]

Sanyok писал(а):

Я имел в виду - излучать одновременно широкополосный сигнал и узкополосный (двумя антеннами, к примеру).

Энергетически не выгодно - мощность каждого сигнала будет в 2 раза меньше, чем для посылки одного сигнала, а дальность пеленгования - в 4 раза меньше.

Sanyok писал(а):

Кстати, не факт что при приеме узкополосный сигнал (та же синусоида) будет энергетически ниже уровня шума.

К сожалению, факт. Сложные сигналы тем и хороши, что они при "сворачивании" оказываются намного выше уровня шума, и соотношение сигнал/шум растет в N раз, где N - сложность сигнала. А прием сигнала с энергией ниже уровня шума - это норма для дальней локации.

Sanyok писал(а):

Смысл моего предложения в том, что по узкополосному сигналу мы определяем величину доппл. сдвига (время прихода мы определить по нему точно не сможем), а потом, настроив соотв. образом согласованный фильтр - уже точно определить время прихода сигнала по его "широкополосной" составляющей.

На разных частотах сигнал по-разному отражается и распространяется в воде -> для разных сигналов и число видимых отражателей будет разным. Как тогда быть с доплером - от какой точки ты будешь его вычислять ?

Sanyok писал(а):

Сдается мне, что в такой постановке задача просто перестает быть "решабельной" Получается порочный круг: надо узнать величину сдвига доппл. сдвига сигнала, для чего надо нам нужен согл. приемник, а что бы построить такой согл. приемник - нужно знать величину сдвига.

Задача уже давно решена теоретически - многоканальностью по частоте, то есть расположением огромного числа согласованных фильтров, настроенных на разные сдвиги сигнала по частоте... И мне нужно только постараться оптимизировать ее по вычислениям или предложить другой менее ресурсоемкий алгоритм с той же точностью пеленгования

Sanyok писал(а):

Цитата:

А сумма двух синусов с близкими частотами на практике за ограниченный интервал времени никак не разделяется (колебания амплитуды с разностной частотой никак не выделить).

А это почему? Понятно, тут есть какой-то предел - чем меньше разность частот двух синусоид, тем труднее их разделить. Если разность частот будет меньше, чем 1/Т, где Т-время наблюдения сигнала, то ничего не получится, это конечно. А вот если больше - то пуркуа бы и не па?

В том-то все и дело, что доплер маленький (не более 4% от частоты), а интервал наблюдения короткий (до 100 мс). Поэтому и усложняется задача разделения двух близких по частоте сигналов...

[Sanyok]

Ладно, когда решите вашу задачку - скажите, интересно Мне в голову пока ничего не идет. Едиственное, о чем я думал, и чего я пока не озвучивал - можно здорово ускорить вычисления, если они будут производится аппаратно, а не программно. К примеру, можно ПЛИС-ку запрограммить так, что бы она Вам свертку считала - на входе - нефильтрованный поток данных, на выходе - уже фильтрованный... А пока - у меня идей больше нет.

[nsemenoff]

Sanyok писал(а):

можно здорово ускорить вычисления, если они будут производится аппаратно, а не программно. К примеру, можно ПЛИС-ку запрограммить так, что бы она Вам свертку считала - на входе - нефильтрованный поток данных, на выходе - уже фильтрованный...

Идея хорошая, но упирающаяся в чисто физические ограничения - каждое аппаратное умножение двух 16-разрядных чисел на ПЛИС занимает более 50 ячеек. Один согласованный фильтр - это порядка 1000 умножений и сложений. Таких фильтров должно быть не менее 256. А сделать сигнал короче тоже нельзя - ухудшится его разрешающая способность по частоте. В общем, таких ПЛИС еще нет. А делать умножения через машину состояний тоже плохо - получается тот же сигнальный процессор, только медленный
Вот и получается - НУЖЕН НОВЫЙ АЛГОРИТМ !!!!!!!
И все же - что может дать регуляризация по Тихонову и уравнения Фрейндгольма ?

[Sanyok]

nsemenoff писал(а):

Один согласованный фильтр - это порядка 1000 умножений и сложений. Таких фильтров должно быть не менее 256.

Насчет 1000 - это Вы загнули К примеру, если у Вас КИХ-фильтр, и окошко фильтра симметричное - уже будет не 1000 сложений/умножений а 500. Да и 500 - многовато, мне кажется. Скажем, если у Вас в кач-ве сигнала m-последовательность используется - так там вообще ничего умножать не придется (если я не ошибаюсь, весовые коэфф-ты там имеют только 2 значения - это +/-1, надо будет только складывать и вычитать).

[Гость]

Sanyok писал(а):

Скажем, если у Вас в кач-ве сигнала m-последовательность используется - так там вообще ничего умножать не придется (если я не ошибаюсь, весовые коэфф-ты там имеют только 2 значения - это +/-1, надо будет только складывать и вычитать).

Чтобы все было так просто, необходимо работать с комплексными сигналами - необходимо выполнять преобразование Гильберта (а это уже для длины сигнала 100 мс и частоте дискретизации не менее 50 МГц - КИХ фильтр порядка 5000). После этого можно вычислить амплитуду сигнала (это еще два возведения в квадрат, сумма и корень для каждого отсчета), и тогда анализировать уже знак фазоманипулированного сигнала. Но по М-последовательностям можно менять не только фазу, но и частоту и амплитуду. И оперирование частотой может быть даже выгоднее с точки зрения помехоустойчивости.
Поэтому все же - давайте поищем новые алгоритмы и подходы. Можно и старый алгоритм реализовать, но это будет не просто и с кучей ограничений.

[Sanyok]

Можно, конечно, поискать, но боюсь - это бесперспективно. Вы с этой регуляризацией пытались разбираться? Что это такое и с чем его едят?