Файл: Мясников, Л. Л. Новые методы измерений в подводной акустике и радиотехнике.pdf

При использовании ЭЦВМ точность измерения возрастает, по­ скольку обработка и анализ результатов, занимающие обычно 60—70% времени, отведенного на измерение, ускоряются в сотни

Во многих случаях целесообразно сочетать ЭЦВМ и аналоговые устройства. Следует только сделать оговорку, что классические измерительные методы совсем не заменяются, а лишь дополняются

в блоки памяти ЭЦВМ. Анализирующие установки производят прием измерительной информации, фиксацию промежуточных ре­ зультатов и ввод этих данных в ЭЦВМ в случае, если последняя используется для управления измерительным процессом.

Измерительный комплекс предназначен также для выполнения акустических измерений и для управления процессом акустических измерений с помощью ЭЦВМ.

Помимо снятия частотных характеристик и характеристик направленности на разных частотах, измерительный комплекс

распределения, спектральные плотности, авто- и взаимнокорреля­

ционные функции.

Установка позволяет выполнять исследование функциональных зависимостей, осуществлять подбор параметров для построения

23-

заданных характеристик и вообще изменять схему и структуру изме­ рительных процедур.

Для решения некоторых задач радиотехники применяются кор­ реляторы аналогового пли цифрового типа. В корреляторе, полу­ чившем название КОД-1 [83], определяется функция корреляции знакового вида (имеется в виду вероятность совпадения входных ■сигналов по знаку, по полярности). Промежутки времени кванто­ вания устанавливаются исходя из требуемого времени запаздывания выборок. Применяется цифровой блок задержки.

Структурная схема коррелятора дана на рис. 1.3. На нем изо­ бражены два канала, в каждый из которых входят ограничитель 1, инвертор 2 и регистр сдвига 3. Запаздывание определяется периодом

колебаний генератора тактовых импульсов 4. Ограничители пред­ назначены для выравнивания входного напряжения по уровню, инверторы выполняют функцию усилителей и служат для получения сигналов в противоположных фазах. Регистр сдвига производит задержку сигнала по сравнению со входом на время

т = (п — 1)Т,

где п — число триггерных ячеек регистра сдвига; Т — период импульса, который может плавно изменяться пропорционально напряжению, вырабатываемому генератором пилообразных напря­ жений 5. Во втором канале регистр сдвига также дает возможность образовать дискретные выборки, но он содержит только одну ячейку.

Приведем некоторые характеристики коррелятора КОД-1: частот­ ный диапазон простирается от 5 Гц до 20 кГц; динамический диа­ пазон составляет 60 дБ при наинизшем входном уровне 3 мВ; вре­ менная задержка имеет несколько диапазонов, перекрывающих времена от 0,05 до 40 мс. Можно реализовать задержки в диапазоне от 0,05 до 1 мс за 3 с, от 0,05 до 10 мс за 10 с и т. д.

Генератор тактовых импульсов дает частоты в диапазоне от 100 Гц до 20 кГц, причем задержка, производимая каждой ячейкой, изме­ няется от 10 до 0,05 мс.

24

Сигналы с выхода обоих регистров, т. е. обоих каналов, посту­ пают на схему совпадений, служащую для измерения некоторой статистической разности. Эта разность строится как разность частоты совпадения знаков и частоты их несовпадения. Интегратор, пред­ ставляющий собой ^С-цепочку, выполняет усреднение. Выходное напряжение позволяет определить искомую функцию корреляции, которая записывается с помощью самописца. Подробности, относя­ щиеся к схемам блоков узлов, описаны в работе [47].

§1.4. ОБНАРУЖЕНИЕ СИГНАЛОВ ПРИ НАЛИЧИИ ПОМЕХ

Впотоке информации, подлежащей определению методами приема

иизмерений, можно выделить сигналы и помехи. Помехи, как сви­ детельствует само слово, препятствуют приему полезной информа­ ции, т. е. сигналов.

При акустических и радиотехнических измерениях сигналы несут информацию о физических величинах и их полях, а также условиях измерений, в то время как помехи несут ненужную информацию, ограничивающую точность, чувствительность, надежность полезной информации. Весьма распространенным видом помех являются внешние, посторонние поля и шумы, а также собственные шумы электронной аппаратуры. Сигналы всегда сопровождаются какимилибо шумами, или помехами. Поэтому для оценки возможностей измерений существенным является значение отношения сигнала

кпомехе.

Вконструктивном анализе вопрос об исследовании сигналов при наличии помех усложняется. Сигнал как конструкция, как образ не выражается через какое-либо собственное значение опе­ ратора физической величины или набора операторов. Для его описа­ ния требуются более сложные схемы. Здесь виды помех множатся.

Возникает новый вид помех — собственные помехи сигнала. Дело в том, что сигнал может подвергаться спонтанным, не зависящим от внешних причин изменениям, например вследствие флюктуаций.

Сигнал, обладающий структурой, можно выразить через матрицу вида \ A ik\ (для определенности рассматриваем случай двух измерений, хотя число измерений может быть и больше). Такая матрица является представлением некоторого оператора, называе­ мого оператором конструкции сигнала или образа. Число элементов матрицы и ее ранг характеризуют степень подробности описания образа. Этим образом может быть картина, в которой визуальное изображение создается распределением интенсивности матричных элементов. Простейшими картинами являются «кресты», когда отличны от шума только матричные элементы, входящие в какуюлибо одну строку и один столбец. Изображение фигур может быть гораздо более сложным в зависимости от задания матричных эле­ ментов A ik.

Подклассы образов дают множество сегментов. Сегмент — это промежуточный образ, достаточно простой по форме. Сложный образ можно представить как композицию сегментов. В § 1.2 ука­

25

зывалось, что в случае изменяющегося процесса, протекающего в, течение некоторого времени, сегментация проводится последо­ вательно во времени; сложный образ рисуется не как соединение сегментов, а как их чередование. Но это различие не меняет дела.

Помеха также может быть структурной. Представим помеху

Будем рассматривать только линейный случай, когда помеха адди­ тивна. По правилу сложения матриц

Cik = &ik + Bik,

т. е. матричные элементы складываются.

Возникают следующие вопросы. Как оценить величины сигнала и помехи? Какой критерий можно принять для оценки отношения сигнала к помехе? В каких случаях имеет место прием слабых сиг­ налов при наличии помех?

В качестве основного критерия надо принять распознаваемость сигнала (а также помехи). Под распознаваемостью понимается отношение числа правильно распознанных сегментов к общему числу предъявленных. Оценка распознаваемости может быть сде­ лана при повторном предъявлении сигнала. Поэтому измерение носит статистический характер.

Неправильное опознание может быть обусловлено как расхожде­ нием между данной реализацией сегмента и эталоном, так и воздей­ ствием помехи. Распознаваемость сигнала, выраженная в процентах, еще не позволяет найти отношение сигнал/помеха. В качестве этого отношения нельзя принять отношение числа правильно распознан­ ных выборок к числу неправильно распознанных; в число последних входят и те, которые порождаются неопределенностью классифика­

вильно опознанных сегментов помехи опять имеет двойственное происхождение: оно обусловлено и ошибками в классификации помехи, и мешающими действиями сигнала.

Теперь рассмотрим процесс совокупно. Предъявляемые реализа­ ции распознаются на основании известных словарей сегментов сигна­ лов и помех. Заключение дается то в виде некоторого сегмента сигнала, то в виде сегмента помехи. Пусть преимущественным сег­ ментом сигнала оказался сегмент S, плотность вероятности которого есть ps, а преимущественным сегментом помехи — сегмент N с плот­ ностью вероятности pN. Тогда, полагая, что решения в пользу других сегментов имеют пренебрежимо малые шансы, отношение сигнал/помеха можно оценить величиной

26

Если помехи несущественны, pN приравнивается нулю и Е =

написать

При большой распознаваемости сигнала можно отношение сигнал/помеха принять равным распознаваемости, т. е. отношению числа правильно опознанных выборок к общему числу предъяв­ ленных.

Программа, приема сигналов на фоне помех заключается в клас­ сификации последовательности с помощьюэталонных последовательно­ стей сигналов и помех. Как и в конструктивном анализе, требуется производить перебор эталонов, но перебор двойной: помехи счи­ таются сигналами, но «другого сорта». Действительно, в технике приема слабых сигналов может случиться так, что о наличии сиг­ нала судят по неустойчивости помехи. Если ps очень мало, то отно­ шение сигнал/помеха выражается числом, малым по сравнению с единицей. Отбрасывая ps в знаменателе, имеем

Е = 1 — Pn ,

т. е. о сигнале можно судить по отклонению от достоверности помехи. Предел «малости» сигнала по отношению к помехам задается критерием надежности [87]. С надежностью также связан вопрос о единовременном распознавании сигнала на основании известных

апостериорных вероятностей сегментов сигналов и помех.

Пусть поставлена задача единовременного (с одного раза) опре­ деления образа сигнала. Поскольку повторные наблюдения исклю­ чаются, должны быть известны как априорные вероятности различ­ ных образов, которые будем обозначать через Р (G,), так и функции правдоподобия Р (A\Gi), т. е. условные вероятности реализации Л, если образ есть G,-. Тогда по Бейесу апостериорная вероятность гипотезы о том, что данная реализация А принадлежит образу, будет равна

где т — число образов в алфавите.

Такое же соотношение справедливо для плотности вероятности, если вероятность относится к единице объема пространства, в кото­ ром строится функция распределения. Плотность апостериорной вероятности гипотезы, обозначаемая как р (G,-1Л), представляет собой функцию распределения, по максимуму которой следует решить, к какому образу надо отнести данную реализацию.

Нахождение числовых значений плотности вероятности про­ изводится на основании интегрального значения параметра, с по­

27