Спосіб адаптивної медіанної фільтрації імпульсних сигналів

Реферат: UA 103513 U UA 103513 U 5 Корисна модель належить до вимірювальної техніки і може застосовуватись в інформаційно-діагностичних системах для фільтрації імпульсних сигналів та їх характеристик за малих відношень сигнал/завада. Відомі способи цифрової фільтрації сигналів [1, 2], які дозволяють підвищити відношення сигнал/завада. До них відносять частотну фільтрацію та фільтрацію на основі вибіркових статистичних характеристик. Відомий, вибраний за найближчий аналог, спосіб медіанної фільтрації сигналів [3, 4]. Він s j  , j  1, N , N - обсяг вибірки сигналу, отриманих з періодом дискретизації TД та частотою дискретизації FД , застосовують операцію полягає в наступному: до цифрових значень сигналу 10 сканування даних ковзним вікном прямокутної форми з фіксованою апертурою результуючий фільтрований сигнал 15 , знаходять вибіркову медіану, яку sM  j  , j  1, N . Недоліком вказаного способу є необхідність вибору фіксованої апертури вікна Wn та пов'язана з цим суперечність, яка проілюстрована наступним прикладом. Нехай необхідно провести фільтрацію сигналу s j , представленого на фігурі 1. Сигнал являє собою  послідовність гаусоподібних імпульсів різної амплітуди і тривалості 20 Wn , для s j  Wn / 2, j  Wn / 2 вважають результатом фільтрації sM  j  , j -го елементу вибірки, з яких формують відібраних вікном значень сигналу i , які спостерігаються на фоні адитивної завади. Необхідно шляхом медіанної фільтрації зменшити дисперсію завади та передати імпульси з мінімальним спотворенням. Якщо для медіанної фільтрації вибрати тривалість вікна Wn  T Д , рівною або меншою за 0,5   i , то імпульси будуть передані без значних спотворень, проте дисперсія завади лишається значною (фігура 2). Для зменшення дисперсії завади необхідно збільшувати апертуру вікна Wn . Але при тривалості вікна Wn  TД   i відбувається спотворення імпульсів, а останній, четвертий, взагалі не вирізняється 25 30 35 40 на фоні завади. На фігурі 3 представлений результат фільтрації сигналу при Wn  TД  2 i . Графіки на фігурах 1, 2, 3 представлені в однаковому масштабі. Отже, для суттєвого зменшення дисперсії завади необхідно збільшувати апертуру вікна, але при її збільшенні відбувається спотворення сигналу. В цьому полягає суттєве протиріччя медіанної фільтрації, яке перешкоджає її більш ефективному використанню. В основу корисної моделі поставлена задача удосконалення способу медіанної фільтрації шляхом динамічної зміни апертури ковзного вікна, що дозволить досягнути компроміс між вимогою неспотвореної передачі імпульсів та суттєвого зменшення дисперсії завади. Поставлена задача удосконалення способу медіанної фільтрації вирішується тим, що здійснюють сканування вибірки сигналу ковзним вікном, відбирають частину значень сигналу, для яких знаходять вибіркову медіану, присвоюють отримане значення медіани центральному елементу вікна та формують вихідний сигнал як послідовність отриманих медіан, у якому згідно з корисною моделлю, попередньо здійснюють сканування вибірки сигналу ковзним вікном фіксованої апертури, відбирають частину значень сигналу, для яких знаходять вибіркову дисперсію, значення якої використовують для регулювання апертури вікна під час визначення вибіркової медіани. Заявлений спосіб реалізується таким чином. Вхідні дані: сигнал s j  уявляє собою адитивну суміш гаусоподібних імпульсів тривалістю вибірки сигналу,  i , та завади з дисперсією  2 , j  1, N , N - обсяг Wn MAX - максимальне значення апертури вікна, Wn MIN - мінімальне значення апертури вікна. Значення Wn MAX обирають рівним, наприклад, 3 i  FД , а значення Wn MIN  0,5 і  FД . Виконують попередню обробку сигналу для визначення приблизного 45 положення імпульсів, яка передбачає сканування сигналу s j  ковзним вікном прямокутної Wn MAX , визначення вибіркових значень дисперсії  2  j  (фігура 4), визначення часового положення середин імпульсів за аналізом  2  j  , що можна реалізувати, наприклад, за допомогою сканування визначеної характеристики  2  j  ковзним вікном форми з апертурою прямокутної форми довжиною рівній тривалості 1 імпульсу, визначення характеристики UA 103513 U вибіркового розмаху дисперсії - R 2  j  (фігура 5), знаходження парних піків характеристики  R 2  j  з відстанню між ними, приблизно рівною Wn MAX , знаходження мінімального значення R 2  j  між двома парними піками, індекс j якого вважають імовірним положенням імпульсу. В Pk  , де k - номер виявленого імпульсу. Будують масив проміжних значень апертури вікна Wa  Wn MIN : 1 : Wn MAX . Виконують медіанну фільтрацію сигналу s j  вікном змінної апертури Wn , яка змінюється за наступним правилом: WnMIN , j  Pk , Wn ,  j  Pk   Wn    j  Pk   Wn ,  MAX MAX Wn j    MAX WaWnMAX   j  Pk   WnMAX ,  j  Pk   WnMAX    j  Pk , Wa j  Pk   WnMAX ,  j  Pk   WnMAX    j  Pk .  Апертура вікна зменшується до Wn MIN при наближенні до імовірного положення імпульсу та збільшується до Wn MAX при віддаленні від нього. Для значень сигналу s j  які потрапили у вікно знаходять вибіркову медіану та формують вихідний сигнал sM  j  . Використання змінної такий спосіб знаходять імовірні положення імпульсів 5 10 15 20 25 30 35 40 апертури вікна при використанні медіанної фільтрації для обробки імпульсних сигналів дозволяє одночасно зберегти імпульси та зменшити дисперсію завади, що суттєво збільшує відношення сигнал/завада для таких сигналів. Приклад 1 Реалізацію запропонованого способу (фігура 6) випробувано для задачі фільтрації вибіркової результуючої довжини вектора - кругової статистичної характеристики фазового методу ультразвукового неруйнівного контролю (фігура 1). Результати фільтрації наведені на фігурі 7. Порівняння відношення сигнал/завада до і після фільтрації сигналу наведено на фігурі 8. Позитивний ефект застосування запропонованого способу полягає в тому, що завдяки фільтрації вдалося збільшити відношення сигнал/завада в декілька разів: для першого імпульсу відношення сигнал/завада збільшилося в 3,1 разу, для другого імпульсу - в 3,3 разу, для третього імпульсу - в 3,1 разу, для четвертого - в 2,7 разу, дисперсія на безімпульсній ділянці -4 -5 сигналу зменшилася з 2,433·10 до 2,025·10 , тобто в 12 раз, а амплітуда імпульсів зменшилася не більше ніж на 4 %. Наведені графіки та числові значення підвищення відношення сигнал/завада підтверджують досягнення технічного результату при здійсненні заявленого способу. Джерела інформації: 1) Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов. / А.Б. Сергиенко. - СПб.: Питер, 2003. - 604 с. 2) Пат. 1283793 СССР, МПК G06F 15/36. Устройство адаптивного скользящего усреднения / Грицык В.В., Луцык А.Ю., Паленичка P.M.; заявитель и патентообладатель Физикомеханический институт им. Г.В. Карпенко. - № 3914286/24-24, заявл. 18.06.85, опубл. 15.01.87. Бюл. № 2. 3) Колемаев В.А. Теория вероятностей и математическая статистика. / Колемаев В.А., Калинина В.Н. - М.: ИНФРА-М, 1997. - 302 с. 4) Пат. 2368002 Российская Федерация, МПК G06F 17/00. Устройство для выделения полезного сигнала при одностороннем законе распределения аддитивной шумовой составляющей / Марчук В.И., Шерстобитов А.И., Воронин В.В., Семенищев Е.А.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ЮРГУЭС). - № 2007127695/09; заявл. 19.07.2007; опубл. 20.09.2009. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 45 Спосіб адаптивної медіанної фільтрації імпульсних сигналів, в якому здійснюють сканування вибірки сигналу ковзним вікном, відбирають частину значень сигналу, для яких знаходять вибіркову медіану, присвоюють отримане значення медіани центральному елементу вікна та формують вихідний сигнал як послідовність отриманих медіан, який відрізняється тим, що попередньо здійснюють сканування вибірки сигналу ковзним вікном фіксованої апертури, 2 UA 103513 U відбирають частину значень сигналу, для яких знаходять вибіркову дисперсію, значення якої використовують для регулювання апертури вікна під час визначення вибіркової медіани. 3 UA 103513 U 4 UA 103513 U Комп’ютерна верстка О. Рябко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5