Метод моментов время-частотного распределения Вигнера в распознавании близких сигналов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.03, кандидат физико-математических наук Ткаченко, Андрей Георгиевич

• Ткаченко, Андрей Георгиевич
• кандидат физико-математических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Ткаченко, Андрей Георгиевич

Содержание

стр.

Введение

1. Принципы распознавания образов и методы их оптической реализации

1.1. Основные задачи, возникающие при распознавании образов

1.2. Гибридные оптико-цифровые системы автоматического распознавания образов (сигналов). •

2. Теоретическое рассмотрение метода моментов время- 19 частотного распределения Вигнера для распознавания

близких сигналов.

2.1. Анализ информативной способности моментов время частотного распределения Вигнера в отсутствии шумов

2.2. Анализ информативной способности моментов время-частотного распределения Вигнера для конкретного вида сигналов. ■■"'."

2.2.1. Одиночный радиоимпульс

2.2.2. Двойной радиоимпульс

2.3. Анализ информативной способности моментов время-частотного распределения Вигнера с учетом аддитивного

шума. •

2.3.1, Анализ информативной способности моментов время-частотного распределения Вигнера с учетом аддитивного входного шума для конкретного вида сигналов

2.3.2. Выбор рабочего словаря признаков

3. Экспериментальное исследование возможностей распознавания близких сигналов по методу моментов

3.1. Методика эксперимента

3.2. -Результаты экспериментального исследования

4. Некоторые практические аспекты реализации метода моментов время-частотного распределения Вигнера

4.1. Повышение пространственной разрешающей способности ПЗС преобразователей в системах

оптико-цифровой обработки информации

4.2. Акустооптоэлектронная система для получения модифицированного распределения Вигнера

Заключение

Литература.

89

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Метод моментов время-частотного распределения Вигнера в распознавании близких сигналов»

Введение.

Диссертационная работа посвящена разработке метода моментов время-частотного распределения Вигнера в применении к распознаванию близких радиосигналов и некоторым вопросам практической реализации этого метода. Под близкими сигналами мы будем понимать однотипные сигналы с малыми отличиями в параметрах, в том числе, которые могут рассматриваться как различные реализации одного опорного сигнала, т.е. сигналы с максимумом кросскорреляционной функции близким к максимуму автокорреляционной функции.

Проблемы распознавания сигналов представляют большой интерес. Развитие методов голографии в оптической обработке позволяют решить ряд задач автоматического распознавания сигналов. Вместе с тем сами образы (сигналы) становятся все более сложными и информативными, требуя новых подходов в их распознавании.

Хорошо известные оптические методы согласованной фильтрации, лежащие в основе голографического распознавание образов по максимуму кросс-корреляционной функции мало пригодны для близких сигналов, т.к. требуют большого количества фильтров и высокой точности их изготовления. Широкое распространение в последнее время нестационарных сигналов со сложной внутренней структурой с одной стороны и, стремление сохранить преимущества быстрого корреляционного анализа с другой, требует усовершенствования методов оптической обработки в задачах распознавания сигналов. Следует отметить, что устройства, использующие принципы оптической обработки и нашедшие практические применения, до сих пор являются сравнительно редкими. Причин здесь несколько. Это и успехи электронно-вычислительной техники, создающей жесткую конкуренцию оптической, и бедность элементной базы, и неготовность

промышленности к освоению новых технологий для создания оптических вычислительных средств. Серьезным недостатком является негибкость оптических вычислительных систем, точнее их специализированность. Поэтому сегодня много усилий направлено на создание универсальных базовых оптических структур, которые допускают программирование с целью превращения их в оптико-электронные сигнальные процессоры.

Однако в целом ряде случаев вследствие простоты реализации оптическими методами преобразования Фурье этот традиционный подход остается актуальным. При этом одним из перспективных методов является использование информативности время частотных распределений (ВЧР).

Поскольку ВЧР, будучи двумерными, содержат более полную информацию о сигнале, чем спектр мощности или корреляционная функция, с которыми обычно имеют дело в оптической обработке информации, то представляется перспективным использовать ВЧР и, в частности, ВЧР Вигнера, для распознавания близких сигналов.

Таким образом, основными задачами настоящей работы являются:

1. Теоретическая разработка метода моментов ВЧР Вигнера в применении к распознаванию близких сигналов, включая анализ метода моментов для конкретного вида сигналов.

2. Экспериментальная проверка возможности распознавания близких сигналов по методу моментов на примере конкретного вида сигналов.

3. Разработка некоторых практических аспектов реализации метода моментов ВЧР Вигнера, направленных на повышение его эффективности.

Указанные задачи определяют структуру диссертационной работы, которая состоит из введения, 4 глав и заключения.

В первой главе, носящей в основном обзорный характер, рассмотрены принципы распознавания образов и методы их оптической реализации. Отмечаются основные задачи, возникающие при разработке

систем распознавания образов и принципы их построения (п. 1.1). Указывается на перспективность оптических систем обработки информации совместно с машинными системами обработки, а также рассмотрены существующие оптические системы обработки информации (п. 1.2).

Во второй главе излагается теория метода моментов ВЧР Вигнера в применении к распознаванию близких сигналов. Сначала проводится анализ информативной способности моментов ВЧР Вигнера в отсутствии шумов (п.2.1). Отмечается три возможных случая задания эталонного сигнала, когда эталонный сигнал выбирается из предъявляемых; когда эталонный сигнал ' является гипотетическим сигналом с вектором отличий, равным нулю; когда эталонным сигналом является сам предъявляемый сигнал. В первых двух случаях рассматриваются моменты кросс-распределения Вигнера (КВР), а, в последнем - моменты ВЧР Вигнера или функции Вигнера предъявляемого сигнала. В дальнейшем рассматривается информативность моментов КВР и функции Вигнера на примере конкретных сигналов: одиночного радиоимпульса и двойного радиоимпульса (п.2.2). В п.2.3 анализируется информативная способность моментов ВЧР Вигнера на примере конкретных видеосигналов и обсуждается выбор рабочего словаря признаков -моментов для стационарного и нестационарного входного шума.

В третьей главе приводится экспериментальная проверка возможности распознавания близких сигналов по методу моментов КВР. Показывается, что сечение КВР, соответствующие со=со0, при симметричной огибающей эталонного сигнала совпадает с кросс-корреляционной функцией огибающих сигналов. Это позволило использовать для проведения экспериментов схему оптического коррелятора. Эксперименты проводились для двух режимов работы: со статическими масками, имитирующими распознаваемые сигналы и

акустооптическим модулятором, играющим роль устройства ввода в систему предъявляемого сигнала.

Четвертая глава посвящена повышению разрешающей способности фотоприемника на ПЗС в системах оптико-цифровой обработки информации, за счет специального расположения матричного фотоприемника (п.4.1.) и исследованию акустооптоэлектронной системы для получения модифицированного распределения Вигнера, которое также может быть использовано для распознавания близких сигналов по методу моментов (п.4.2.).

В заключении сформулированы основные результаты работы.

Заключение диссертации по теме «Радиофизика», Ткаченко, Андрей Георгиевич

Основные результаты работы заключаются в следующем:

1. Предложены теоретические методы анализа информативности моментов сечений кросс-распределения Вигнера как в отсутствии шумов, так и с их учетом (для стационарного и нестационарного шума).

2. Проведен теоретический анализ информативности моментов сечений кросс-распределения Вигнера для конкретного вида сигналов, как в отсутствии шумов (одиночного и двойного радиоимпульсов), так и с их учетом. Показано, что для рабочего словаря моментов-признаков целесообразно выбирать моменты низкого порядка.

3. Для конкретного вида сигнала (одиночный радиоимпульс со «скошенной» вершиной) проведен расчет вероятности ошибки при распознавании для различных отношений сигнал/шум.

4. Разработана методика экспериментальной проверки возможности использования метода моментов сечений кросс-распределения Вигнера для распознавания близких сигналов, с помощью которой подтверждена экспериментально возможность использования предложенного метода.

5. Предложен новый метод повышения разрешающей способности ПЗС - фотоприемников, эффективность которого подтверждена с помощью математического моделирования.

6. Предложена новая схема оптического получения модифицированного распределения Вигнера, которая может быть использована непосредственно для распознавания сигналов по моментам сечений модифицированного распределения Вигнера.

Таким образом, в диссертационной работе предложен и теоретически и экспериментально обоснован новый метод распознавания близких радиосигналов, основанный на анализе формы способом моментов сечений двумерного время-частотного распределения Вигнера, а также рассмотрены два вопроса практической реализации системы распознавания. Предложенный метод:

1. Существенно уменьшает количество согласованных фильтров за счет-вторичной обработки сечения КВР.

2. Дает незначительное уменьшение соотношения сигнал/шум по сравнению с оптимальным приемом.

3. Не требует знания формы всех распознаваемых импульсов.

4. Может быть особенно полезен для близких сигналов с достаточно . большим количеством параметров отличия и, в частности, позволяет распознать импульсы с 4-мя параметрами отличия по первым четырем моментам со «скосом» вершины 5=0,027 при отношении сигнал/шум 1000, с вероятностью 90 %.

Заключение

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Ткаченко, Андрей Георгиевич, 1999 год

Литература

1. Дж.Ту.Р.Гонеалес «Принципы распознавания образов». М.Мир. 1978 г.

2. К. Фуку нага« Введение в статическую теорию распознавания образов». M.Havica. 1979 г.

3. Г.И.Василенко, Л.М.Цибулькин «Топографические распознающие устройства». М., Радио и связь, 1985 г.

4. С.А. Рогов, М.Г.Высоцкий «Оптическая обработка информации», учебное пособие, СПб ГТУ,1998 г.

5. М.А.Гофман, Е.С.Нвжевенко. В.И.Фельдбуш «Оптоэлектронные сигнальные процессоры». Автометрия, №3, 1989 г.

6. Г.И.Перетягин «Построение обнаружителя, инвариантного к повороту двумерного объекта». Автометрия №1, 1995 г.

7. Н.М.Астафьева «Вейвлет-анализ: основы теории и примеры применения». УФН. т. 166 №11, 1996 г.

8. Д.Л.Флэннери, Дж.Л.Хорнер «Оптические фурье-процессоры сигналов». ТИИЭР т.77, №10, 1989 г.

9. Б.Дж.Томсон «Гибридные системы обстройки». ТИИЭР т.65, №1.1977 г.

10. А.Н.Доморацкий, П.Н.Иванов и др. «Аналого-цифровой оперативный коррелятор КАЦО-200» Автометрия №9, 1971 г.

11. Е.С.Нежевенко, В.И.Хоцкин «Оптико-электронный процессор для распознавания избражений». В кн. Оптическая обработка информации. Под ред.С'.Б.Гуревича. Л-д, 1979 г.

12. Т.Х.Фридман, Е.С.Цветков «Об интерференционном методе оптического распознавания образов», «Вопросы радиоэлектроники» вып. 12. 1980.

13. У.Т.Родес «Акустооптическая обработка сигналов: свертка, корреляция». ТИИЭР т.69,№1, 1981 г.

14. P.A.Athale, J.N.Jec, E.L.Robinson, H.H.Sru "Acoustooptic processors for real-time generation of time-frequeney represetations" Opt.Jett.v.8, pp. 166-168, 1983.

15. С.Ю. Бондарцев, H.A. Есенкина, А.П.Лавров «Оптические процессоры с использованием сканирующих ПЗС-фотоприемникова». Автометрия. №6. 1988 г.

16. J.Vienot, J.Dukornoy, G.Trubellon "Three methods of information assessment for optical date processing. Appl.Opt. v. 12, №5, 1973.

17. В.А. Антонов, С.Н.Бочинский. Ю.А.Быковский «Использование возможности голографической диагностики сложных систем в реальном масштабе времени». В кн. Голографические способы обработки сложных электрических сигналов. М. 1977 г.

18. Е.Ф.Воробьев, Д.И.Мировицкий, Г.Н.Переверзев, А.В.Алешин «Исследование информативной способности функции корреляции при голографическом распознавании образов» 13 кн. Голографические способы обработки сложных электрических сигналов. М. 1977 г.

19. Д.И.Мировицкий, Н.Н.Антонова и др. «Исследования преимуществ когерентно-оптической обработки электрических сигналов». Проблемы голографии, вып.4. 1984 г.

20. A.C.Блок, О.М.Зюзин, Э.И.Крупицкий, Г.Х.Фридман «Гибридные оптико-электроннЫе системы распознавания изображений». Автометрия №1. 1974 г.

21. И.А.Водоватов, М.Г.Высоцкий, В.Ю.Петрунькин «Об использовании моментов корреляционной функции в качестве парамтеров при распознавании сигналов». В кн. Помехоустройчивость приема пространственно-временных сигналов. Сб.трудов Воронежского университета , 1982 г.

22. И.А.Водоватов, В.Ю.Петрунькин, С.А. Рогов, В.Г.Самсонов «О выборе рабочего словаря признаков при распознавании образов по моментам корреляционной

функции» VI Всесоюзная школа-семинар по оптической обработке информации, Фрунзе, 1986 г.

23.'М.Арм, Л.Ламберт, А.Вейсман «Применение метода оптической корреляции к сжатию радиолокационных импульсов». ТИИЭР, т.52. №7, 1964 г.

24. E.B.Felstead "A simplified coherent optical correlation-" Appl. Opt.v.7, 1968.

25. К.Атцени, Л.Пантани «Упрощенный тип оптического коррелятора для обработки радиолокационных сигналов». ТИИЭР, т.57, №3 1969 г.

26. M.King, W.R.Bennet, L.B.Jambert, M.Arm "Real-time electro-optical signal processors with coherent detection" Appl.Opt v.6, p 1367, 1967.

27. Дж.Н.Ли, Э. Вандер Лютт «Акустооптические методы обработки сигналов и вычислений, ТИИЭР, т.77 №10, 1989 г.

28. Л.Коэн «Время-частотные распределения: обзор, ТИИЭР, т.77, №10. 1989 г.

29. O.Kenny, B.Boashash "Anoptical signal processor for time-frequency signal analysis using the Wigner-Ville distribution". J.Eler.Electron.Eng.1988, pp. 152-158.

30. Т.М.Терпин «Спектральный анализ оптическими методами» ТИИЭР т.69, №1, 1981г.

31. A.K.Cupta, T.Askura "Hew optical system for the efficient display of Wigner distribution functions • using a single object transparency" Opt.Commun. v.60 p.265-268,1986.

32. M.Conner and L.Yao "Optical generation of the Wigner distribution of 2-D real signals" Appl.Opt.v.24, p.3825-3829, 1985.

33. K.H.Brexmer, A.W. Johmann "Wigner distribution function display of complex ID signals" Opt.Commun. v.42, pp.310-314, 1982.

34. Н.А.Бухарин, В.Ю.Петрунькин, С.А.Рогов, С.В.Розов. В.Г.Самсонов. А.Г.Ткаченко «Исследование акустооптоэлектронной системы для получения модифицированного распределения Вигнера». Автометрия, №6. 1987 г.

35. A.G.Tkachenko "Application of Wigner's time-frequency distribution for close signals recognition" Proceedings SPIE, V. 3687, 1999.

36. Г.С. Кондратенков "Обработка информации когерентными оптическими системами". М. Сов.радио, 1972 г.

37. Я.А. Фомин, Г.Р.Тарловский "Статистическая теория распознавания образов"". М. Радио и связь, 1986 г.

38. А.Л.Горелик, И.Б.Гуревич, В.А. Скрипкин «Современное состояние проблемы распознавания». М. Радио и связь, 1985 г.

39. А.Л.Горелик, В.А.Скрипкин «Методы распознавания». М. Высшая школа, 1977 г.

40. И.А.Водоватов, С.А. Рогов, С.Р. Бабушкин «Влияние ошибок юстировки на работу систем оптической обработки информации». Автометрия №6, 1986 г.

41. Н.Н.Антонов, Д.И.Мировичкий, А.Н.Титов «Обработка ненормированных электрических сигналов в оптических корреляторах». В кн. Проблемы голографии. в.4., 1974 г.

42. Н.А.Бухарин, В.Г.Самсонов, А.Г.Ткаченко «Повышение пространственной разрешающей способности ПЗС преобразователей в системах оптико-цифровой обработки информации». В кн. Обработка сигналов и изображений оптическими методами. Л. Межвузовский сб. научных трудов № 190, 1987, с.103-111.

43. Н.А. Бухарин, А.Г.Ткаченко «Акустооптическое устройство корреляционного анализа длинных радиосигналов», Авторское свидетельство № 1635743 1991 г. бюл.10.

44. Н.А.Бухарин, В.Г.Самсонов, А.Г.Ткаченко «О повышении разрешающей способности ПЗС преобразователей» I Всесоюзная конференция по оптической обработке информации. Л. 1988 г.

45. А.Г.Кузин, Ю.М.Мокрушин, Е.М.Николаев и др. Акустооптическое устройство отображения и записи информации. Тезисы докладов II Всеосоюзной

конференции по формированию оптического изображения и методам его обработки, т.2. Кубышшев, 1985 г.

46. H.K.Bamoski, B.Chen, T.R.Joseph "Jntegreeted optic spectrum analiser. SPIE. Opt.Signal Processing 1979. v.209, p.92.

47. Ф.П.Батраков «Формирователи видеосигнала на приборах с зарядовой связью» Зарубежная радиоэлектроника №1, 1968 г.

48. Ф.П.Пресс «Формирователи видеосигналов на приборах с зарядовой связью» М. Радио и связь, 1981 г.

49. А.В.Ветто, Е.П.Костенко, Ю.А.Кузнецов, Ф.П.Пресс «Фоточувствительные схемы с зарядовой связью: состояние и перспективы». Электронная промышленность. №7, 1982 г.

50. В.Ю.Березин, Б.А.Котова и др. «Телевизионная камера на матрице приборов с зарядовой связью», Техника кино и телевидения №6, 1977 г.

51. В.А.Арутюнов, Н.А.Есепкина, Б.А.Котов и др. «Выходные устройства систем оптической обработки информации на основе приборов с зарядовой связью». В кн. Оптико-электронные методы обработки изображений. Под ред., С.Б.Гуревича, Л.Наука 1982 г.

52. Г.А.Гаврилов, Г.Ю.Сотникова «Разрешающая способность преобразователей оптического изображения на основе ПЗС». В кн. Оптическая обработка изображений. Под.ред.С.Б.Гуревича, Л.Наука, 1985 г.

53. H.Harada, Y.Endo "A swing CCD image sensor. J. Institute of Television Eng. of Japen, v.37 № 10, 1983.

54. Л.В.Гуторов, В.И.Карасев и др. «Приемник изображения на основе системы Фокон - ПЗС». Электронная промышленность, № 7, 1982 г.

55. Дж.Борсак «Фотодетекторы для акустооптических систем обработки сигналов». ТИИЭР т.69, №1, 1981 г.

56. B.Esudie, J.Creen "Joint representation (J.R.) in signal theory (ST) and Hilbertion analysis: a powerfull tool for signal analysis" Proe. IEEE Jnt.Cnef.San Diego, 1984.

57. B.Bouchache, F.Rodriguez. "Recognition of time-varying signal in the time frequency domain by means of the Wigner distribution". Icit.

58. T.L.Claasen, W.F.G.Mecklenbreeker " The Wigner distribution - a lot for time -freguancy signal analysis". Philips J. of Research. v35. N3. 1980.

59. H.O. Barlet, K.H.Brenner, A.W. Johmann " The Wigner distribution function and its optical production". Opt. Comm. v.32, N1, 1980.

60. И.А. Водоватов, М.Г.Высоцкий, В.Ю.Петрунькин и др. Система регистрации и обработки оптических сигналов на основе ПЗС -структур и микро ЭВМ «Электроника 60М», Автометрия, № 6, 1985 г.