Спосіб спектральної ідентифікації гідроакустичного сигналу

Спосіб спектральної ідентифікації гідроакустичного сигналу в заданій послідовності взаємозв'язаних операцій перетворення гідроакустичного сигналу, що включає проведення низькочастотної фільтрації гідроакустичного сигналу в смузі частот 5-20 кГц, розділення гідроакустичного сигналу на сегменти аналізу однакової тривалості 10-50 мс, проведення стандартного 12-16-бітового аналогоцифрового перетворення сигналу з частотою дискретизації 10-40 кГц на кожному сегменті аналізу, який відрізняється тим, що на кожному сегменті аналізу формують дискретні відліки поточної речовинної спектральної щільності Хартлі шляхом C2 2 (19) 1 3 79564 низькочастотну фільтрацію гідроакустичного сигналу в смузі частот 5-20кГц; розділяють гідроакустичний сигнал на сегменти аналізу однакової тривалості 10-50мс; проводять стандартне 12-16-бітове аналого-цифрове перетворення гідроакустичного сигналу з частотою дискретизації 10-40кГц на кожному сегменті аналізу; формують на кожному сегменті аналізу дискретні відліки поточної комплексної спектральної щільності гідроакустичного сигналу шляхом застосування стандартного дискретного перетворення Фур'є до відліків гідроакустичного сигналу на сегментах; виділяють модульні значення дискретних відліків поточних комплексних спектрів сигналів сегментів аналізу; визначають статистичні характеристики (гістограми функцій розподілу або щільності розподілу імовірностей, оцінки середніх і дисперсій) модульних значень спектру по всіх сегментах аналізу для кожної частоти дискретного спектру гідроакустичного сигналу; порівнюють отримані статистичні характеристики (гістограми функцій розподілу або щільності розподілу імовірностей, оцінки середніх і дисперсій) гідроакустичного сигналу по відомим критеріям узгодженості, наприклад Колмогорова, з відповідними статистичними характеристиками (гістограмами функцій розподілу або щільності розподілів імовірностей, оцінками середніх і дисперсій) еталонних (зразкових, типових) реалізацій гідроакустичних сигналів бази даних [1]. Основною причиною зниження ефективності відомих систем, що реалізовують способи спектральної ідентифікації гідроакустичного сигналу, є те, що гідроакустичний сигнал є випадковим нестаціонарним процесом зі змінною дисперсією і складною формою поточної спектральної щільності потужності (амплітудного спектру). В результаті цього багатовимірні функції щільності розподілу імовірностей миттєви х модульних значень дискретних комплексних відліків поточних спектрів Фур'є сигналу на сегментах аналізу є негаусовськими та багатомодальними, що істотно ускладнює застосування відомих статистичних критеріїв узгодження і знижує імовірності правильної ідентифікації. В основу винаходу "Спосіб спектральної ідентифікації гідроакустичного сигналу" поставлена задача підвищення ефективності відомих систем спектральної ідентифікації гідроакустичного сигналу шля хом порівняння залежностей від спектральної частоти гідроакустичного сигналу квантилів (квартилів, децилів, процентілів) варіаційних рядів по всіх сегментах аналізу абсолютних значень поточних речовинних спектрів Хартлі гідроакустичного сигналу на сегментах з відповідними залежностями квантилів (квартилів, децилів, процентілів) абсолютних значень речовинних спектрів Хартлі еталонних (зразкових, типових) реалізацій гідроакустичних сигналів бази даних на основі відомих критеріїв узгодження. Рішення поставленої задачі досягається тим, що в заданій способом-прототипом послідовності взаємозв'язаних операцій перетворення гідроакустичного сигналу: проводять низькочастотну фільтрацію гідроакустичного сигналу в 4 смузі частот 5-20кГц; розділяють гідроакустичний сигнал на сегменти аналізу однакової тривалості 10-50мс; проводять стандартне 12-16-бітове аналого-цифрове перетворення сигналу з частотою дискретизації 10-40кГц на кожному сегменті аналізу, додатково формують на кожному сегменті аналізу дискретні відліки поточної речовинної спектральної щільності Хартлі шля хом застосування стандартного дискретного перетворення Хартлі до речовинних відліків гідроакустичного сигналу на сегментах аналізу; виділяють абсолютні значення дискретних речовинних відліків поточних спектрів Хартлі гідроакустичного сигналу на сегментах аналізу; для кожної частоти дискретного спектру Хартлі гідроакустичного сигналу формують варіаційні ряди по сегментах виділених абсолютних значень дискретних речовинних відліків поточних спектрів Хартлі; для кожного варіаційного ряду абсолютних значень відліків виділяють квантилі (квартилі, децилі, процентілі); формують залежності виділених квантилів (квартилів, децилів, процентілів) від дискретних значень частоти спектру гідроакустичного сигналу; порівнюють отримані залежності квантилів (квартилів, децилів, процентілів) від дискретних значень частоти спектру гідроакустичного сигналу по відомим критеріям узгодженості, наприклад Колмогорова, з відповідними залежностями квантилів (квартилів, децилів, процентілів) від цих же значень частоти спектрів еталонних (зразкових, типових) реалізацій гідроакустичних сигналів бази даних. На Фіг.1 наведена структурна схема пристрою спектральної ідентифікації гідроакустичного сигналу шля хом порівняння залежностей від дискретних значень частоти спектру гідроакустичного сигналу квантилів (квартилів, децилів, процентілів) варіаційних рядів абсолютних значень відліків поточних речовинних спектрів Хартлі гідроакустичного сигналу для кожної частоти дискретного спектру по сегментах аналізу з аналогічними залежностями квантилів (квартилів, децилів, процентілів) від частоти еталонних зразків гідроакустичних сигналів бази даних, який реалізує об'єкт, що заявляється - спосіб спектральної ідентифікації гідроакустичного сигналу, де позначено: 1 - блок фільтра нижніх частот фільтрації гідроакустичного сигналу в смузі частот 5-20кГц; 2 - блок сегментації гідроакустичного сигналу на сегменти аналізу однакової тривалості 10-50мс; 3 - блок аналого-цифрового перетворення гідроакустичного сигналу з частотою дискретизації 10-40кГц і стандартним 12-16-бітовим квантуванням на кожному сегменті аналізу; 4 - блок дискретного перетворення Хартлі речовинних відліків гідроакустичного сигналу на сегментах аналізу; 5 - блок виділення абсолютних значень дискретних речовинних відліків поточних спектрів Хартлі сигналів на сегментах аналізу; 6 - блок виділення квантилів (квартилів, децилів, процентілів) варіаційних рядів абсолютних значень дискретних відліків поточних спектрів Хартлі по сегментах; 5 79564 8- блок формування залежностей квантилів (квартилів, децилів, процентілів) від дискретних значень частоти спектру гідроакустичного сигналу; 9 - блок порівняння залежностей квантилів (квартилів, децилів, процентілів) від дискретних значень частоти спектру Хартлі гідроакустичного сигналу і відповідних залежностей квантилів (квартилів, децилів, процентілів) спектрів Хартлі еталонних (зразкових, типових) реалізацій гідроакустичних си гналів бази даних; 10 - блок еталонних залежностей квантилів (квартилів, децилів, процентілів) від дискретних значень частоти спектру еталонних (зразкових, типових) реалізацій гідроакустичних сигналів бази даних; 11 - блок ідентифікації гідроакустичного сигналу за наслідками статистичного порівняння залежностей квантилів (квартилів, децилів, процентілів) від дискретних значень частоти спектру гідроакустичного сигналу і еталонних (зразкових, типових) реалізацій гідроакустичних сигналів бази даних на основі відомого критерію узгодженості Колмогорова. Вихід блока фільтра нижніх частот 1 фільтрації гідроакустичного сигналу в смузі частот 5-20кГц, вхід якого є входом пристрою, через послідовно з'єднанні блок сегментації 2 гідроакустичного сигналу на сегменти аналізу однакової тривалості 10-50мс, блок аналогоцифрового перетворення 3 гідроакустичного сигналу з частотою дискретизації 10-40кГц і стандартним 12,.,16-бітовим квантуванням на кожному сегменті аналізу, блок дискретного перетворення Хартлі 4 речовинних відліків гідроакустичного сигналу на сегментах аналізу, блок виділення абсолютних значень 5 дискретних речовинних відліків поточних спектрів Хартлі гідроакустичного сигналу на сегментах аналізу, блок формування варіаційних рядів 6 виділених абсолютних значень по сегментах аналізу для кожної частоти дискретного спектру гідроакустичного сигналу, блок виділення квантилів 7 (квартилів, децилів, процентілів) варіаційних рядів абсолютних значень дискретних відліків поточних спектрів Хартлі по сегментах аналізу, блок формування залежностей квантилів 8 (квартилів, децилів, процентілів) від дискретних значень частоти спектру гідроакустичного сигналу підключений до першого входу блока порівняння залежності квантилів 9 (квартилів, децилів, процентілів) від дискретних значень частоти спектру Хартлі гідроакустичного сигналу і відповідних залежностей квантилів (квартилів, децилів, процентілів) спектрів Хартлі еталонних (зразкових, типових) реалізацій гідроакустичних сигналів бази даних, до другого входу якого підключений вихід блок еталонних залежностей квантилів 10 (квартилів, децилів, процентілів) від дискретних значень частот спектру Хартлі еталонних (зразкових, типових) реалізацій гідроакустичних сигналів бази даних, а вихід підключений до входу блока ідентифікації гідроакустичного сигналу 11 за наслідками статистичного порівняння різниць відповідних залежностей на основі критерію узгодженості Колмогорова, вихід якого є виходом пристрою. 6 З ви ходу блока фільтра нижніх частот 1 фільтрації гідроакустичного сигналу в смузі частот 5-20кГц гідроакустичний сигнал проступає на вхід блока сегментації 2 гідроакустичного сигналу на сегменти аналізу однакової тривалості 10-50мс, а з його виходу подається на блок аналогоцифрового перетворення 3 з частотою дискретизації 10-40кГц і стандартним 12-16-бітовим квантуванням гідроакустичного сигналу на кожному сегменті аналізу. Гідроакустичний сигнал в цифровому вигляді з виходу блока З подається на вхід блока 4 стандартного дискретного перетворення Хартлі речовинних відліків гідроакустичного сигналу на сегментах аналізу, при цьому речовинні дискретні значення спектральної щільності Хартлі гідроакустичного сигналу кожного сегменту з виходу блока 4 поступають на вхід блока 5 виділення абсолютних значень дискретних речовинних відліків поточних спектрів Хартлі сигналів на сегментах аналізу шляхом відкидання знакового біта цифрового дискретного відліку спектру. З ви ходу блока виділення абсолютних значень 5 дискретні абсолютні значення спектрів подаються на вхід блока 6 формування варіаційних рядів виділених абсолютних значень по сегментах аналізу для кожної частоти дискретного спектру гідроакустичного сигналу шляхом розміщення виділених абсолютних значень за збільшенням таким чином, що на першому сегменті розміщуються мінімальні величини абсолютних значень, а на останньому відповідно максимальні величини. Впорядковані таким чином за збільшенням величини виділених абсолютних значень з виходу блока 6 подаються на вхід блока 7 виділення квантилів (квартилів, децилів, процентілів) сформованих варіаційних рядів абсолютних значень дискретних відліків поточних спектрів Хартлі по сегментах як порядкових статистик вибіркового розподілу імовірностей абсолютних значень дискретних відліків поточних спектрів Хартлі для кожної частоти дискретного спектру гідроакустичного сигналу. Виділені квантилі (квартилі, децилі, процентілі) з виходу блока 7 поступають на вхід блока 8 формування залежності квантилів (квартилів, децилів, процентілів) від дискретних значень частоти спектру гідроакустичного сигналу, які подаються на перший вхід блока 9 порівняння залежності квантилів (квартилів, децилів, процентілів) від дискретних значень частоти спектру гідроакустичного сигналу і відповідних залежностей квантилів (квартилів, децилів, процентілів) еталонних (зразкових, типових) реалізацій гідроакустичних сигналів бази даних, що поступають на його другий вхід з ви ходу блока 10 еталонних залежностей квантилів (квартилів, децилів, процентілів) від дискретних значень частоти спектру еталонних (зразкових, типових) реалізацій гідроакустичних сигналів бази даних. Вихідний сигнал блока 9 у вигляді різниць залежностей квантилів (квартилів, децилів, процентілів) спектру Хартлі гідроакустичного сигналу і відповідних залежностей квантилів (квартилів, децилів, процентілів) спектрів Хартлі еталонних (зразкових, типових) реалізацій гідроакустичних сигналів бази даних подається на вхід блока 11 7 79564 ідентифікації гідроакустичного сигналу за наслідками статистичного аналізу різниць залежностей квантилів (квартилів, децилів, процентілів) спектрів Хартлі від дискретних значень частоти поточного спектру гідроакустичного сигналу і еталонних (зразкових, типових) спектрів Хартлі реалізацій гідроакустичних сигналів бази даних на основі відомого критерію узгодженості Колмогорова. Вихід блока 11 є виходом пристрою спектральної ідентифікації гідроакустичного сигналу в цілому. На Фіг.2 наведена залежність квартилів спектру Хартлі еталонного гідроакустичного сигналу джерела №1, а на Фіг.3 наведена залежність квартилів спектру Хартлі еталонного гідроакустичного сигналу джерела №2 бази даних. На Фіг.4 наведена відповідна експериментальна залежність квартилів спектру Хартлі поточного спектру гідроакустичного сигналу джерела, що ідентифікується. Зіставлення різниць наведених залежностей квартилів спектрів Хартлі від дискретних значень частоти поточного спектру гідроакустичного сигналу і еталонних (зразкових, типових) спектрів Хартлі реалізацій гідроакустичних сигналів бази вказує на належність гідроакустичного сигналу, що ідентифікується, джерелу №2. Використання більш інформативних залежностей децилів та процентілів дозволяє підвищити вірогідність правильної ідентифікації гідроакустичного сигналу. У зв'язку з тим, що квантилі (квартилі, децилі, процентілі) варіаційних рядів абсолютних значень дискретних відліків поточних спектрів Хартлі по сегментах як порядкові статистики вибіркового розподілу імовірностей абсолютних значень дискретних відліків поточних спектрів Хартлі для кожної частоти дискретного спектру гідроакустичного сигналу розподіляються по нормальному закону незалежно від негаусовського характеру багатовимірних функцій розподілу вибіркових значень спектру гідроакустичного сигналу, істотно підвищується ефективність критерію узгодженості Колмогорова, орієнтованого на статистичну ідентифікацію нормально розподілених випадкових величин, що використовується, що, зрештою, підвищує вірогідність правильної ідентифікації гідроакустичного сигналу. Разом з тим мета способу-прототипу - спектральна ідентифікація гідроакустичного сигналу - в об'єкті, що заявляється, реалізується більш ефективно внаслідок того, що обчислювальні (часові) витрати на отримання речовинної спектральної 8 щільності Хартлі гідроакустичного сигналу на сегменті менше ніж витрати на отримання комплексної спектральної щільності Фур'є. Крім того, отримання абсолютних значень дискретних відліків поточних спектрів Хартлі реалізується шляхом простого відкидання знакового біта цифрового дискретного відліку спектру, тоді як отримання модулів комплексних амплітуд спектральних компонент Фур'є вимагає реалізації нелінійної операції вилучення квадратного кореня з суми квадратів реальної і уявної частин відліку спектральної густини Фур'є [3]. У свою чергу, спектральна щільність Хартлі гідроакустичного сигналу, на відміну від спектральної щільності потужності або амплітудного спектру Фур'є, несиметрична щодо нульової частоти поточного спектру гідроакустичного сигналу, оскільки у часовій області реалізації гідроакустичних сигналів не є парними функціями. Ця обставина дозволяє використовувати для підвищення якості ідентифікації гідроакустичного сигналу додаткову інформаційну ознаку - ступінь несиметричності реалізації гідроакустичного сигналу на сегменті аналізу [3]. Комплексне використання перерахованих відмітних особливостей і пов'язаних з ними позитивних е фектів дозволяють забезпечити підвищення ефективності спектральної ідентифікації гідроакустичного сигналу шляхом порівняння залежності від спектральної частоти гідроакустичного сигналу квантилів (квартилів, децилів, процентілів) варіаційних рядів по всіх сегментах аналізу абсолютних значень поточних речовинних спектрів Хартлі гідроакустичного сигналу на сегментах з відповідними залежностями квантилів (квартилів, децилів, процентілів) абсолютних значень речовинних спектрів Хартлі еталонних (зразкових, типових) реалізацій гідроакустичних сигналів бази даних на основі відомих критеріїв узгодженості. Джерела інформації 1. Гидроакустика. Научно - технический сборник / Глазанов В.Е., Смарышев М.Д., Маляров В.Т. под.ред. В.Е. Глазанова. вып.№ 3. изд-во ЦНИИ "Морфизприбор" 2002.-132с. 2.Шелухин О.И. Лукьянцев Н.Ф. Цифровая обработка и передача речи. / Под ред. О.И.Шелухина,- М.: Радио и связь, 2000.- 456.:ил.С. 98-106. 3.Денисенко А.Н. Сигналы. Теоретическая радиотехника. Справочное пособие.- М.: Горячая линия - Телеком, 2005.- 704 с.: ил. -С. 99-105. 9 Комп’ютерна в ерстка В. Клюкін 79564 Підписне 10 Тираж 26 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601