УСТРОЙСТВО ОБНАРУЖЕНИЯ УЗКОПОЛОСНЫХ ШУМОВЫХ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ НА ОСНОВЕ НЕПРЕРЫВНОГО ВЕЙВЛЕТ-ПРЕОБРАЗОВАНИЯ Российский патент 2014 года по МПК G01S3/08 

Изобретение относится к области гидроакустики, а именно к устройствам обнаружения узкополосных шумовых сигналов (со спектральной плотностью мощности в виде отдельных дискретных составляющих или их звукорядов) на фоне аддитивной помехи.

Известно устройство обнаружения узкополосных шумовых гидроакустических сигналов на основе вычисления интегрального вейвлет-спектра (RU 2367970 С2, МПК G01S 3/80 (2006.01), опубл. 20.09.2009), основанное на вычислении непрерывного вейвлет-преобразования входного процесса на базе комплексного аналитического вейвлета, относительная полоса амплитудного спектра которого совпадает с относительной полосой спектральной плотности мощности обнаруживаемого сигнала.

Это устройство, выбранное в качестве прототипа, содержит аналого-цифровой преобразователь, на вход которого подается входной сигнал, а выход которого соединен с входом рециркулятора, выход которого соединен с входом первого вычислителя быстрого преобразования Фурье; вычислитель квадрата модуля, выход которого соединен с входом устройства осреднения, выход которого соединен с входом порогового устройства, выход которого является выходом устройства; М комплексных перемножителей, с первыми входами которых соединен выход первого вычислителя быстрого преобразования Фурье, а выходы которых соединены с входами М вычислителей обратного быстрого преобразования Фурье, выходы которых соединены с входами вычислителя квадрата модуля; постоянное запоминающее устройство, выход которого соединен с входом второго вычислителя быстрого преобразования Фурье, выход которого соединен с входом устройства обнуления отрицательных частот, выход которого соединен с входом устройства комплексного сопряжения, выход которого соединен с входами М масштабирующих устройств, выходы которых соединены со вторыми входами М комплексных перемножителей; управляющее устройство, выходы которого соединены с управляющими входами аналого-цифрового преобразователя, рециркулятора, первого вычислителя быстрого преобразования Фурье, устройства осреднения, порогового устройства, постоянного запоминающего устройства, второго вычислителя быстрого преобразования Фурье и М вычислителей обратного быстрого преобразования Фурье.

Недостатком устройства является сложность реализации и, как следствие, большие аппаратурные затраты. Так, например, только перечисленные два блока вычисления быстрого преобразование Фурье являются сложными арифметическими устройствами, содержащими регистры, умножители и сумматоры (см., например, RU 2190874, МПК G06F 17/14, опубл. 10.10.2002). Еще более затратными являются М вычислителей обратного быстрого преобразования Фурье.

Задачей изобретения является упрощение конструкции устройства при сохранении его достоинств, основанных на вейвлет-преобразовании входного сигнала.

Поставленная задача достигается тем, что устройство обнаружения узкополосных шумовых гидроакустических сигналов на основе непрерывного вейвлет-преобразования содержит, также как в прототипе, аналого-цифровой преобразователь, вход которого является входом устройства, а выход соединен со входом рециркулятора, пороговое устройство, выход которого является выходом устройства, а вход подключен к выходу блока осреднения квадратов модулей, постоянное запоминающее устройство и управляющее устройство, выходы которого соединены с управляющими входами аналого-цифрового преобразователя, рециркулятора, постоянного запоминающего устройства, блока осреднения квадратов модулей и порогового устройства.

Согласно изобретению введены умножитель, оперативное запоминающее устройство и сумматор, выход которого соединен со входом блока осреднения квадратов модулей и со входом оперативного запоминающего устройства, выход которого подключен ко второму входу сумматора, первый вход которого связан с выходом умножителя, первый вход которого соединен с выходом рециркулятора, а второй вход подключен к выходу постоянного запоминающего устройства, при этом управляющие входы умножителя, сумматора и оперативного запоминающего устройства соединены с выходами управляющего устройства.

Основные вычислительные и, соответственно, аппаратные затраты в устройстве обнаружения узкополосных шумовых гидроакустических сигналов на основе вычисления интегрального вейвлет-спектра (прототип) приходятся на вычисление непрерывного вейвлет-преобразования. Если всего устройство-прототип состоит из 14 блоков, то на долю вычисления непрерывного вейвлет-преобразования (НВП) приходится большая часть (блоки с 3 по 10, из них блоки 4, 5 и 10 повторяются в количестве М экземпляров). Предлагаемое устройство заменяет по сравнению с прототипом только блоки, которые предназначены для вычисления НВП, на более простые в реализации и их меньше по количеству. При этом предлагаемое устройство содержит все остальные блоки прототипа, необходимые для функционирования всего устройства. Поэтому, показав корректность вычисления непрерывного вейвлет-преобразования с помощью предлагаемого устройства и сохранив все остальные блоки прототипа, можно считать, что функциональность предлагаемого устройства будет соответствовать функциональности прототипа.

Непрерывное вейвлет-преобразование произвольного сигнала S(t) описывается уравнением:

$$W\left(a,b\right)=\frac{1}{\sqrt{a}}{\displaystyle \underset{-\infty }{\overset{+\infty }{\int }}S\left(t\right)\cdot \Psi \left(\frac{t-b}{a}\right)dt}$$

где W(a,b) - искомое вейвлет-преобразование;

t - время;

$$\Psi \left(\frac{t-b}{a}\right)$$ - некоторая функция с определенными свойствами (вейвлет);

b - сдвиг по времени;

a - масштаб по времени (соответствующий частоте).

Для оцифрованного с равномерным шагом сигнала, имеющего конечные пределы по времени, интеграл в уравнении (1) аппроксимируем конечной суммой и получим:

$$W\left(a_j,b_k\right)=\frac{1}{\sqrt{a_j}}{\displaystyle \sum _{i=0}^{N}S\left(t_i\right)\cdot \Psi \left(\frac{t_i-b_k}{a_j}\right)}\Delta t,$$ $$\left(2\right)$$

где i, j, k - индексы по времени t, по масштабу а, по сдвигу по времени b;

N- количество шагов по времени;

М - количество масштабов а_j;

Δt - шаг по времени;

S(t_i) - оцифрованный сигнал (входные данные).

При этом шаг по времени Δt определяют по частоте дискретизации f _d, удовлетворяющей требованию теоремы Котельникова:

$${\sout{\int }}_d=\frac{1}{\Delta t}\ge 2{\sout{\int }}_{\max }$$ $$\left(3\right)$$

где ƒ_max - максимальная частота, которой ограничен спектр полезной составляющей входного сигнала.

Количество шагов по времени N (или количество отсчетов входных данных в анализируемой выборке сигнала) определяется необходимым промежутком времени исследования сигнала NΔt, который должен быть не менее одного периода для составляющей сигнала с минимальной частотой.

Если сдвиг по времени, по которому вычисляется вейвлет-преобразование, принять равным шагу оцифровки входного сигнала Δt, то тогда b_k=kΔt. В этом случае, учитывая, что t_i=iΔt, в уравнении (2) аргумент функции ω можно преобразовать, и мы получим:

$$\Psi \left(\frac{t_i-b_k}{a_j}\right)=\Psi \left[\frac{\left(i-k\right)\Delta t}{a_j}\right].$$ $$\left(4\right)$$

Введем обозначения для коэффициентов:

$$P_{i,j,k}=\frac{\Delta t}{\sqrt{a_j}}\Psi \left(\frac{(i-k)\Delta t}{a_j}\right).$$ $$\left(5\right)$$

Коэффициенты P_i,j,k не зависят от входного сигнала, поэтому их можно рассчитать заранее для всего диапазона индексов i, j, k. Для этого только необходимо выбрать вид функции Ψ (вейвлета) и иметь достаточный объем памяти для хранения этих коэффициентов, что в настоящее время не является проблемой. Например, если взять выборку из N=2000 отсчетов и М=600 масштабов (как в прототипе), то объем требуемой памяти для хранения массива 32-разрядных коэффициентов P_i,j,k составит около 8 Гбайт.

Таким образом, уравнение (2) можно записать в виде:

$$W\left(a_j,b_k\right)={\displaystyle \sum _{i=0}^{N}S\left(i\Delta t\right)}{P}_{i,j,k}$$ $$\left(6\right)$$

или в виде рекуррентной формулы:

$$W_{i+1}\left(a_j,b_k\right)=W_i\left(a_j,b_k^{}\right)+S\left(i\Delta t\right)\cdot P_{i,j,k}$$ , $$\left(7\right)$$

$$W_0\left(a_j,b_k\right)=0$$ . $$\left(8\right)$$ $$$$

Таким образом, выведенные расчетные формулы (5)-(8) для вычисления непрерывного вейвлет-преобразования входного сигнала, оцифрованного с равномерным шагом, значительно проще использованных в прототипе формул.

Далее, так же, как и в прототипе, по найденному вейвлет-преобразованию W_i(a_j,b_k) вычисляется его квадрат модуля, выполняется осреднение по времени, производится сравнение полученного интегрального вейвлет-спектра с порогом (выбираемым в зависимости от требуемой вероятности ложной тревоги) и принимается решение об обнаружении сигнала в случае превышения порога по одному из М заданных масштабов (RU 2367970 С2, МПК G01S 3/80 (2006.01), опубл. 20.09.2009, с.16, стр.6-20).

Интегральный вейвлет-спектр в общем случае определяется по формуле:

$$W^{*}\left(a\right)=\frac{1}{B}{\displaystyle \underset{0}{\overset{B}{\int }}{\left|W\left(a,b\right)\right|}^{2}db},$$

или для обработки дискретных сигналов:

$$W^{*}\left(a_j\right)=\frac{1}{N}{{\displaystyle \sum _{k=1}^N\left|W\left(a_j,b_k\right)\right|}}^2.$$ $$\left(9\right)$$

Предлагаемая рекуррентная формула (7) позволяет реализовать устройство таким образом, чтобы, сохраняя текущее значение W_i(a_j,b_k), при поступлении нового отсчета входного сигнала не пересчитывать все вейвлет-преобразование, а только добавлять к текущему значению второе слагаемое формулы (7). Поэтому меньшие аппаратные затраты на блоки для вычисления вейвлет-преобразования (при сохранении затрат на остальные блоки для обеспечения функциональности устройства) позволят снизить аппаратные затраты на реализацию всего устройства обнаружения узкополосных шумовых гидроакустических сигналов на основе непрерывного вейвлет-преобразования.

Выведенные расчетные формулы проверялись на вейвлете Морле (как в прототипе). В качестве входного сигнала использовалась масштабно-частотная модель звукоряда на фоне аддитивной помехи (как в прототипе). Результаты вычисления непрерывного вейвлет-преобразования по предлагаемым расчетным формулам и по формулам, указанным в прототипе, практически совпадали.

Таким образом, достигается технический результат, который заключается в снижении аппаратных затрат на реализацию устройства обнаружения узкополосных шумовых гидроакустических сигналов на основе непрерывного вейвлет-преобразования.

На фиг.1 представлена схема устройства обнаружения узкополосных шумовых гидроакустических сигналов на основе непрерывного вейвлет-преобразования.

Устройство обнаружения узкополосных шумовых гидроакустических сигналов на основе непрерывного вейвлет-преобразования содержит аналого-цифровой преобразователь 1 (АЦП), рециркулятор 2 (Р), умножитель 3 (У), постоянное запоминающее устройство 4 (ПЗУ), сумматор 5 (С), оперативное запоминающее устройство 6 (ОЗУ), блок осреднения квадратов модулей 7 (БОКМ), пороговое устройство 8 (ПУ), управляющее устройство 9 (УУ).

Входом устройства является вход аналого-цифрового преобразователя 1 (АЦП), выход которого соединен с входом рециркулятора 2 (Р), выход которого связан с первым входом умножителя 3 (У), второй вход которого подключен к выходу постоянного запоминающего устройства 4 (ПЗУ). Выход умножителя 3 (У) соединен с первым входом сумматора 5 (С), второй вход которого связан с выходом оперативного запоминающего устройства 6 (ОЗУ), вход которого подключен к выходу сумматора 5 (С). Выходом устройства является выход порогового устройства 8 (ПУ), вход которого соединен с выходом блока осреднения квадратов модулей 7 (БОКМ), вход которого связан с выходом сумматора 5 (С), при этом выходы управляющего устройства 9 (УУ) подключены к управляющим входам аналого-цифрового преобразователя 1 (АЦП), рециркулятора 2 (Р), умножителя 3 (У), постоянного запоминающего устройства 4 (ПЗУ), сумматора 5 (С), оперативного запоминающего устройства 6 (ОЗУ), блока осреднения квадратов модулей 7 (БОКМ) и порогового устройства 8 (ПУ).

Перечисленные элементы устройства могут быть реализованы на базе цифровых интегральных микросхем, например, серии К500-К531 (Нефедов А.В. Интегральные микросхемы и их зарубежные аналоги. Справочник. Т4, 2001), а также на базе ПЛИС или полузаказных БИС на основе БМК, выпускаемых, например, Российскими фирмами «Ангстрем» (), «Модуль» (www.module.ru) или целым рядом зарубежных фирм. Оперативное запоминающее устройство 6 (ОЗУ) может быть выполнено на сдвиговых регистрах. Аналого-цифровой преобразователь 1 (АЦП) и управляющее устройство 9 (УУ) могут быть реализованы на любых микросхемах, имеющих электрическое и логическое сопряжение с элементами, выбранными для реализации вычислительной части устройства.

Устройство обнаружения узкополосных шумовых гидроакустических сигналов на основе непрерывного вейвлет-преобразования работает следующим образом.

На предварительном этапе рассчитывают вейвлет-коэффициенты Р_i,j,k по формуле (5) и результаты заносят в постоянное запоминающее устройство 4 (ПЗУ). Количество этих коэффициентов определяют заранее по количеству отсчетов входного сигнала (N) в одном цикле обнаружения узкополосных шумовых сигналов, количеству сдвигов по времени (не более N) и количеству масштабов по времени (М), которое должно соответствовать количеству отдельных дискретных составляющих или их звукорядов в спектральной плотности мощности входного сигнала.

На основном этапе обнаружения полезного сигнала на вход аналого-цифрового преобразователя 1 (АЦП)) поступает гидроакустический сигнал S(t), содержащий широкополосный шум с непрерывным спектром (помеха) и возможный узкополосный шум с дискретным спектром, состоящий из синусоидальных составляющих на отдельных частотах (полезный сигнал), которые необходимо обнаружить.

На выходе аналого-цифрового преобразователя 1 (АЦП) с равномерным шагом по времени Δt, определенным по частоте дискретизации ƒ_d, удовлетворяющей требованию теоремы Котельникова (3), формируется последовательность оцифрованных отсчетов входного сигнала S(iΔt). Текущий i-й отсчет поступает на вход рециркулятора 2 (Р), с выхода которого генерируется последовательность аналогичных по значению сигналов высокой частоты размером N×M, которая поступает на первый вход умножителя 3 (У).

Синхронно с этой последовательностью с выхода постоянного запоминающего устройства 4 (ПЗУ) на второй вход умножителя 3 (У) подаются значения коэффициентов P_i,j,k. При этом управляющее устройство 9 (УУ) изменяет значение индексов: k от 1 до N, при каждом фиксированном k значение индекса j изменяет от 1 до М, а значение индекса i сохраняет постоянным. На время обработки этой последовательности управляющее устройство 9 (УУ) блокирует поступление новых отсчетов входного сигнала.

С выхода умножителя 3 (У) последовательность значений S(iΔt)P_i,j,k подается на первый вход сумматора 5 (С), на второй вход которого с выхода оперативного запоминающего устройства 6 (ОЗУ) подается аналогичная по размеру и индексам j и к последовательность значений W_i(a_j,b_k), вычисленных на предыдущих шагах по времени от 0 до i-1.

С выхода сумматора 5 (С) последовательность значений W_i(a_j,b_k)+S(iΔt)P_i,j,k записывается в оперативное запоминающее устройство 6 (ОЗУ), заменяя хранившиеся там до этого значения, и одновременно подается на вход блока осреднения квадратов модулей 7 (БОКМ). В этом блоке вычисляются квадраты модулей значений поступающей последовательности, которые осредняются по формуле (9).

С выхода блока осреднения квадратов модулей 7 (БОКМ) последовательность осредненных значений размером М подается на вход порогового устройства 8 (ПУ). На выходе порогового устройства 8 (ПУ) появляется сигнал, если хотя бы одно из поступивших на вход значений превышает установленный порог, что означает обнаружение полезного сигнала.

По окончанию поступления последовательности значений на вход порогового устройства 8 (ПУ), управляющее устройство 9 (УУ) увеличивает значение индекса / на 1 и разрешает поступление на вход устройства следующего отсчета входного сигнала.

Когда будет обработано N отсчетов входного сигнала, управляющее устройство 9 (УУ) заканчивает текущий цикл обнаружения полезного сигнала и начинает следующий цикл, устанавливая значения индекса i=0, значения индексов k=1 и j=1. Таким образом, процесс обнаружения узкополосных шумовых гидроакустических сигналов может продолжаться непрерывно. Управляющее устройство 9 (УУ) также обеспечивает синхронизацию работы всех блоков устройства.

Использование: изобретение относится к области гидроакустики, а именно к устройствам обнаружения узкополосных шумовых сигналов со спектральной плотностью мощности в виде отдельных дискретных составляющих или их звукорядов на фоне аддитивной помехи. Сущность: устройство обнаружения узкополосных шумовых гидроакустических сигналов на основе непрерывного вейвлет-преобразования содержит аналого-цифровой преобразователь, вход которого является входом устройства, а выход соединен со входом рециркулятора, пороговое устройство, выход которого является выходом устройства, а вход подключен к выходу блока осреднения квадратов модулей, сумматор, выход которого соединен со входом блока осреднения квадратов модулей и со входом оперативного запоминающего устройства, выход которого подключен ко второму входу сумматора, первый вход которого связан с выходом умножителя, первый вход которого соединен с выходом рециркулятора, а второй вход подключен к выходу постоянного запоминающего устройства, при этом управляющие входы аналого-цифрового преобразователя, рециркулятора, порогового устройства, блока осреднения квадратов модулей, постоянного запоминающего устройства, умножителя, сумматора и оперативного запоминающего устройства соединены с выходами управляющего устройства. Технический результат: снижение аппаратных затрат на реализацию устройства обнаружения узкополосных шумовых гидроакустических сигналов на основе непрерывного вейвлет-преобразования. 1 ил.

Устройство обнаружения узкополосных шумовых гидроакустических сигналов на основе непрерывного вейвлет-преобразования, содержащее аналого-цифровой преобразователь, вход которого является входом устройства, а выход соединен со входом рециркулятора, пороговое устройство, выход которого является выходом устройства, а вход подключен к выходу блока осреднения квадратов модулей, постоянное запоминающее устройство и управляющее устройство, выходы которого соединены с управляющими входами аналого-цифрового преобразователя, рециркулятора, постоянного запоминающего устройства, блока осреднения квадратов модулей и порогового устройства, отличающееся тем, что введены: умножитель, оперативное запоминающее устройство и сумматор, выход которого соединен со входом блока осреднения квадратов модулей и со входом оперативного запоминающего устройства, выход которого подключен ко второму входу сумматора, первый вход которого связан с выходом умножителя, первый вход которого соединен с выходом рециркулятора, а второй вход подключен к выходу постоянного запоминающего устройства, при этом управляющие входы умножителя, сумматора и оперативного запоминающего устройства соединены с выходами управляющего устройства.