[go: up one dir, main page]

RU2651640C1 - Method of the signals spline-filtering - Google Patents

Method of the signals spline-filtering Download PDF

Info

Publication number
RU2651640C1
RU2651640C1 RU2017104009A RU2017104009A RU2651640C1 RU 2651640 C1 RU2651640 C1 RU 2651640C1 RU 2017104009 A RU2017104009 A RU 2017104009A RU 2017104009 A RU2017104009 A RU 2017104009A RU 2651640 C1 RU2651640 C1 RU 2651640C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
equation
filtering
signal
equations
spline
Prior art date
Application number
RU2017104009A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Евгений Юрьевич Бутырский
Олег Николаевич Шклярук
Валерий Васильевич Васильев
Егор Валерьевич Обухов
Original Assignee
Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-Морского Флота "Военно-морская академия им. Адмирала Флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-Морского Флота "Военно-морская академия им. Адмирала Флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова" filed Critical Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-Морского Флота "Военно-морская академия им. Адмирала Флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова"
Priority to RU2017104009A priority Critical patent/RU2651640C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2651640C1 publication Critical patent/RU2651640C1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S3/00Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic, or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received
    • G01S3/80Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic, or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received using ultrasonic, sonic or infrasonic waves
    • G01S3/86Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic, or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received using ultrasonic, sonic or infrasonic waves with means for eliminating undesired waves, e.g. disturbing noises

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Complex Calculations (AREA)

Abstract

FIELD: radio engineering; electronics.
SUBSTANCE: invention relates to the field of radio electronics and hydro acoustics, namely to methods of signal detecting and processing in the presence of interferences. Invention consists in implementing of an optimal method development for the hydro acoustic signal detecting under conditions of interferences described by nonlinear stochastic equations. Method of signals spline filtering is based on the conditional Markov filtering method, which includes: solving the filtering equations for the hypothesis of signal presence / absence; likelihood equations; equation for gain ratios calculating. Distinctive feature of the spline filtering method is that, in order to obtain interference estimates for a nonlinear equation of state, the nonlinear function spline interpolation is additionally used, and the nonlinear function changes dynamic range area is divided into intervals, in each of which an equation of state linear representation is implemented, which allows to implement a Kalman-Bucy filter on each of the sub-bands, including: two equations of state estimation with hypotheses of the signal presence / absence; dispersion estimation equation on the various intervals and the likelihood equation including these estimates, based on the calculation results a decision is made on the signal detection or non-detection.
EFFECT: technical result is the reduction of computational costs, enabling high efficiency of the signal detection with various interferences, obtaining a more efficient filtering algorithm and the ability of operation in real time.
1 cl, 8 dwg

Description

Настоящее изобретение относится к области радиоэлектроники, а именно к способам обработки и обнаружения сигнала на фоне помех. Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, заключается в реализации разработки оптимального метода обнаружения гидроакустического сигнала в условиях помех, описываемых нелинейными стохастическими уравнениями. Поставленная задача решается за счет того, что в заявленном способе нелинейная функция представляется через сплайны, что дает возможность проводить линейную обработку на каждом интервале и представлять нелинейный алгоритм как композицию линейного фильтра Калмана-Бьюси.The present invention relates to the field of electronics, and in particular to methods for processing and detecting a signal against a background of interference. The problem to which the claimed invention is directed, is to implement the development of an optimal method for detecting a hydroacoustic signal under interference conditions described by nonlinear stochastic equations. The problem is solved due to the fact that in the claimed method, the nonlinear function is represented through splines, which makes it possible to carry out linear processing on each interval and present the nonlinear algorithm as a composition of a linear Kalman-Bucy filter.

Достигаемый технический результат заключается в уменьшении вычислительных затрат, обеспечении высокой эффективности обнаружения и в универсальности обработки при различных помехах. Возможность работы в реальном масштабе времени, получение более эффективного алгоритма фильтрации, требующего меньше вычислительных затрат, обуславливают высокую экономическую выгоду, которая может быть использована при внедрении в систему обработки гидроакустических сигналов.Achievable technical result consists in reducing computational costs, ensuring high detection efficiency and in the versatility of processing with various interference. The ability to work in real time, to obtain a more efficient filtering algorithm that requires less computational cost, leads to a high economic benefit that can be used when implementing sonar signals in a processing system.

На сегодняшний день приближенные решения уравнений фильтрации основаны на аппроксимации решения - апостериорной плотности вероятности некоторой функцией из параметризованного класса, при этом используют нормальную плотность вероятности [1]. Однако в ряде случаев апостериорная плотность вероятности существенно отличается от нормальной (к примеру, процесс ближней реверберации) и при возникновении больших ошибок фильтрации (малое отношение сигнал-шум, помеха-шум) требуются более точные приближения. С этой точки зрения особенно привлекательными являются аппроксимации, основанные на сплайновых представлениях, так как при их применении никаких допущений по поводу законов распределений не делается.To date, approximate solutions of the filtration equations are based on approximating the solution — an a posteriori probability density by some function from a parameterized class, using the normal probability density [1]. However, in some cases, the posterior probability density differs significantly from normal (for example, the near-reverb process), and when large filtering errors occur (small signal-to-noise, noise-to-noise), more accurate approximations are required. From this point of view, approximations based on spline representations are especially attractive, since in their application no assumptions are made about the laws of distributions.

Из предшествующих методик известен метод условной марковской фильтрации (прототип) (2, с. 213-222], в котором взаимосвязь сигнала и помехи выражается некоторой детерминированной функцией, а белый шум - аддитивен. Основная задача метода состоит в том, чтобы, располагая одним из компонентов многомерного марковского процесса, вычислить распределение вероятностей для значений наблюдаемого компонента, где сигнал является произвольной детерминированной функцией по времени S(x,t)=S(t), а помеха V(η,t)=η(t) представляется диффузионным гауссовским процессом. Суть работы метода условной марковской фильтрации можно выразить в системе уравнений:Of the previous methods, the conditional Markov filtering method (prototype) is known (2, p. 213-222], in which the signal-to-noise relationship is expressed by some deterministic function and the white noise is additive. The main task of the method is to have one of components of the multidimensional Markov process, calculate the probability distribution for the values of the observed component, where the signal is an arbitrary determinate function in time S (x, t) = S (t), and the noise V (η, t) = η (t) is represented by a diffusion Gaussian process m. The essence of the method of conditional Markov filtration can be expressed in the system of equations:

Figure 00000001
Figure 00000001

где: s(t) - детерминированный сигнал; u(t) - поступающая входная реализация; z(t) - логарифм отношения правдоподобия;

Figure 00000002
- оценка реверберационной помехи при гипотезе наличия сигнала;
Figure 00000003
- оценка реверберационной помехи при гипотезе отсутствия сигнала; σ*2 - дисперсия оценки помехи; N0 - величина спектральной плотности белого шума; γ - коэффициент диффузии.where: s (t) is the deterministic signal; u (t) is the incoming input implementation; z (t) is the logarithm of the likelihood ratio;
Figure 00000002
- evaluation of reverberation noise under the hypothesis of the presence of a signal;
Figure 00000003
- evaluation of reverberation noise in the absence of a signal hypothesis; σ * 2 is the variance of the interference estimate; N 0 is the spectral density of white noise; γ is the diffusion coefficient.

Схема, реализующая указанный метод условной марковской фильтрации (прототип) [2, с. 213-222], приведена на фиг. 1. где:A scheme that implements the specified method of conditional Markov filtering (prototype) [2, p. 213-222], shown in FIG. 1. where:

блок 1 - блок усиления на коэффициент

Figure 00000004
;block 1 - gain block by coefficient
Figure 00000004
;

блок 2 - блок усиления на коэффициент

Figure 00000005
;block 2 - gain block by coefficient
Figure 00000005
;

блоки 3, 7, 18 - интеграторы:blocks 3, 7, 18 - integrators:

блок 5 - блок усиления на коэффициент

Figure 00000006
;block 5 - gain block by coefficient
Figure 00000006
;

блоки 4, 8, 15 - квадраторы;blocks 4, 8, 15 - quadrators;

блоки 6, 9, 16 - блоки усиления на коэффициент [-1];blocks 6, 9, 16 — gain blocks by a factor of [-1];

блоки 10, 13 - блоки усиления на коэффициент [2];blocks 10, 13 - gain blocks by a factor [2];

блоки 11, 14 - премножители;blocks 11, 14 are multipliers;

блок 12 - блок формирования опорного сигнала;block 12 - block forming a reference signal;

блок 17 - блок усиления на коэффициент

Figure 00000007
;block 17 - gain block by coefficient
Figure 00000007
;

блок 19 - двухпороговое устройство;block 19 is a two-threshold device;

блок 20 - однопороговое устройство;block 20 is a single-threshold device;

блоки 21, 24 - блоки принятия решения при гипотезе наличия сигнала;blocks 21, 24 - decision blocks under the hypothesis of the presence of a signal;

блок 22 - блок принятия решения при гипотезе отсутствия сигнала;block 22 is a decision block in the absence of a signal hypothesis;

блок 23 - блок, реализующий продолжение наблюдения.block 23 is a block that implements the continuation of the observation.

Принцип действия метода заключается в следующем: при гипотезах наличия и отсутствия сигнала вычисляются оценочные значения отфильтрованной от белого шума помехи, на их основе формируют логарифм отношения правдоподобия и затем выносят решение в одной из двух пороговых схем. Метод условной марковской фильтрации позволяет получить структурные схемы оптимальных приемников для различных помеховых ситуаций, но не производит оценку помехоустойчивости таких приемников.The principle of the method is as follows: under the hypotheses of the presence and absence of a signal, the estimated values of the noise filtered out from white noise are calculated, based on them form the logarithm of the likelihood ratio and then make a decision in one of two threshold schemes. The conditional Markov filtering method allows to obtain structural diagrams of optimal receivers for various interference situations, but does not evaluate the noise immunity of such receivers.

Также известен метод кусочного разложения оценок (патент №2257610), который основан на разбиении исходной дискретной реализации на прикрывающиеся интервалы одинаковой длины с последующей оценкой на каждом из них полезного сигнала (аналог) [3, с. 4-10]. Исходя из данного метода, предполагается, что полезный сигнал описывается некоторой кусочно-непрерывной гладкой функцией, которая удовлетворяет условиям теоремы Вейерштрассе об аппроксимации на локальных отрезках. Такой подход позволяет получить множество оценок полезной составляющей в каждом сечении процесса с последующим их усреднением. Использование системы ортогональных многочленов при решении задачи аппроксимации позволяет получить только общее решение задачи оценки сигнала и обрабатывать одномерные дискретные реализации сигналов ограниченного объема в условиях непараметрической априорной неопределенности, что делает метод сплайн-фильтрации по сравнению с методом кусочного разложения оценок более универсальным.Also known is the method of piecewise decomposition of estimates (patent No. 2257610), which is based on dividing the initial discrete implementation into concealed intervals of the same length, followed by the evaluation of the useful signal (analog) on each of them [3, p. 4-10]. Based on this method, it is assumed that the useful signal is described by a piecewise-continuous smooth function that satisfies the conditions of the Weierstrass approximation theorem on local segments. This approach allows you to get many estimates of the useful component in each section of the process with their subsequent averaging. The use of the orthogonal polynomial system in solving the approximation problem allows one to obtain only a general solution to the signal estimation problem and process one-dimensional discrete implementations of signals of a limited volume under conditions of nonparametric a priori uncertainty, which makes the spline filtering method more universal in comparison with the piecewise decomposition of estimates.

При переходе от аппроксимаций многочленами к аппроксимации сплайнами преследуют две цели. Первая - это улучшение качества приближения: при одинаковых вычислительных затратах абсолютные погрешности аппроксимации сплайнами меньше, чем абсолютные погрешности аппроксимации многочленами, а при одинаковых погрешностях уменьшается объем вычислений. Сплайны позволяют избежать осцилляций [4-6]. Для сходимости аппроксимации к аппроксимируемой функции предъявляются более слабые требования, чем в случае многочленов. Например, интерполяция сплайнами невысоких степеней сходится даже для непрерывных функций. Вторая цель - резкое уменьшение вычислительных трудностей как при построении алгоритмов решения задач, так и при дальнейшей работе с аппроксимантами, которые на каждом звене представляют собой многочлены невысоких степеней или иные элементарные функции [4,5].In the transition from approximations by polynomials to approximation by splines, there are two goals. The first is an improvement in the quality of approximation: for identical computational costs, the absolute errors of approximation by splines are smaller than the absolute errors of approximation by polynomials, and with the same errors, the amount of computation decreases. Splines allow one to avoid oscillations [4-6]. For the approximation to converge to the approximated function, weaker requirements are imposed than in the case of polynomials. For example, interpolation by splines of low degrees converges even for continuous functions. The second goal is a sharp reduction in computational difficulties both in constructing algorithms for solving problems and in further work with approximants, which at each link are polynomials of low degrees or other elementary functions [4,5].

Асимптотически наилучшее равномерное приближение сплайном первой степени S1(x) функции ƒ(x) определяется выражением [7]:The asymptotically best uniform approximation by a spline of the first degree S 1 (x) of the function ƒ (x) is determined by the expression [7]:

Figure 00000008
Figure 00000008

где: xi, xi+1 - узловые точки на интервале; Δi - интервал с номером секции i. Сплайновое представление тестового сигнала, показано на фиг. 2. где:where: x i , x i + 1 - nodal points on the interval; Δ i is the interval with the number of section i. A spline representation of the test signal is shown in FIG. 2. where:

x1, x2, x3 - узловые точки на интервале;x 1 , x 2 , x 3 - nodal points on the interval;

Δ1, Δ2, Δ3 - интервалы;Δ 1 , Δ 2 , Δ 3 - intervals;

r(x) - тестовый сигнал, у которого коэффициент сноса равен r(x)=-0,5х2-x;r (x) is a test signal with a drift coefficient of r (x) = - 0.5x 2 -x;

s(x) - сплайновое представление сигнала r(x).s (x) is the spline representation of the signal r (x).

В рамках данного изобретения для удовлетворения требования непрерывности плотности вероятности применялась операция сглаживания высокочастотных составляющих характеристической функции путем замены высокочастотных отсчетов нулями. Спектральные плотности вероятности тестового процесса ps(x) и его приближение сплайнами представлено на фиг. 3. где:In the framework of the present invention, in order to satisfy the requirement of probability density continuity, the operation of smoothing high-frequency components of the characteristic function by replacing high-frequency samples with zeros was used. The spectral probability densities of the test process ps (x) and its approximation by splines are shown in FIG. 3. where:

x - значения тестового процесса;x - values of the test process;

ps(x) - плотность вероятности тестового процесса;ps (x) is the probability density of the test process;

phx(x)- плотность вероятности приближения тестового процесса сплайнами.phx (x) is the probability density of the approach of the test process by splines.

Обе кривые (фиг. 3) имеют схожую форму нормального распределения с положительными коэффициентами асимметрии: для плотности вероятности тестового сигнала он равен 0,77, а для плотности вероятности приближения тестового процесса сплайнами - 0,75; также оба распределения имеют только по одному возможному значению, соответствующему наибольшей вероятности появления, и являются одномодальными.Both curves (Fig. 3) have a similar normal distribution shape with positive asymmetry coefficients: for the probability density of the test signal, it is 0.77, and for the probability density of the approach of the test process with splines, 0.75; also, both distributions have only one possible value, corresponding to the highest probability of occurrence, and are single-mode.

Аппроксимировать исходную функцию можно различными способами, но для решения задачи линейной фильтрации выражение (2) на интервалах [xi, xi+1) рассматривается как линейное стохастическое уравнение. Вследствие этого алгоритм фильтрации на интервале можно представить как фильтр Калмана с параметрами, меняющимися в зависимости от номера секции, к которой принадлежит текущая оценка процесса. Известно, что в задачах линейной фильтрации нет необходимости вычислять плотность вероятности, достаточно найти оценку математического ожидания процесса в каждой точке и дисперсию этой оценки [5-7]. Таким образом можно записать уравнение фильтрации случайного процесса x(t)∈Δi:The initial function can be approximated in various ways, but to solve the linear filtering problem, expression (2) on the intervals [x i , x i + 1 ) is considered as a linear stochastic equation. As a result, the filtering algorithm on the interval can be represented as a Kalman filter with parameters that vary depending on the number of the section to which the current process assessment belongs. It is known that in linear filtering problems there is no need to calculate the probability density, it is enough to find the estimate of the mathematical expectation of the process at each point and the variance of this estimate [5-7]. Thus, we can write the filtering equation of the random process x (t) ∈Δ i :

Figure 00000009
Figure 00000009

где: x* - текущая оценка процесса; h - функция прямоугольного окна; a i, bi - коэффициенты, значения которых определяются через узловые точки xi и значения функции ƒ(хi) через систему уравнений:where: x * - current assessment of the process; h is the function of the rectangular window; a i , b i - coefficients whose values are determined through the nodal points x i and the values of the function ƒ (x i ) through the system of equations:

Figure 00000010
Figure 00000010

Если рассматривать весь интервал изменения x∈X, то дисперсия фильтрации случайного процесса x(t) будет представляться вектором (

Figure 00000011
,
Figure 00000012
, …σn), при котором имеет место соответствие:
Figure 00000013
, тогда система уравнений фильтрации представляется уравнениями:If we consider the entire interval of variation x∈X, then the variance of the filtering of the random process x (t) will be represented by the vector (
Figure 00000011
,
Figure 00000012
, ... σ n ), for which there is a correspondence:
Figure 00000013
, then the system of filtration equations is represented by the equations:

Figure 00000014
Figure 00000014

Из выражения (5) следует, что в стационарном режиме дисперсия фильтрации постоянна на интервалах Δi и меняется при переходе к другому интервалу ступенчатым образом. При этом необходимо отметить, что на каждом интервале реализуется линейный фильтр Калмана-Бьюси. При этом дисперсия фильтрации является функцией только оценки

Figure 00000015
. Важным фактором с вычислительной точки зрения является то, что стационарные коэффициенты усиления
Figure 00000016
могут быть рассчитаны априори и могут представляться в виде набора чисел, поэтому реализация метода фильтрации со стационарными коэффициентами требует значительно меньших объемов памяти и вычислительных затрат [5].It follows from expression (5) that in the stationary mode, the dispersion of the filtration is constant at the intervals Δ i and changes in a stepwise manner when switching to another interval. It should be noted that at each interval, a linear Kalman-Bucy filter is implemented. Moreover, the filtering variance is a function of only the estimate
Figure 00000015
. An important factor from a computational point of view is that the stationary gains
Figure 00000016
can be calculated a priori and can be represented as a set of numbers, therefore, the implementation of the filtering method with stationary coefficients requires significantly less memory and computational costs [5].

Метод сплайн-фильтрации позволяет оценивать случайные процессы, заданные не только скалярным, но и матрично-векторным уравнением. Преимущества предлагаемого подхода в вычислительном отношении, по сравнению с известными методами нелинейной фильтрации, более существенны. В случае решения задачи обнаружения сигнала на фоне помехи и белого шума уравнения обнаружения и фильтрации имеют вид [4-7]:The spline filtering method allows you to evaluate random processes defined not only by a scalar, but also by a matrix-vector equation. The advantages of the proposed approach in computational terms, in comparison with the known methods of nonlinear filtering, are more significant. In the case of solving the problem of detecting a signal against a background of noise and white noise, the detection and filtering equations have the form [4-7]:

Figure 00000017
Figure 00000017

Предлагаемый способ сплайн-фильтрации на основе прототипа и системы уравнений (6) представлен на фиг. 4, где:The proposed method of spline filtering based on the prototype and the system of equations (6) is presented in FIG. 4, where:

блок 14 - блок усиления на коэффициент

Figure 00000018
;block 14 - gain block by coefficient
Figure 00000018
;

блок 7 - блок усиления на коэффициент

Figure 00000019
;block 7 - gain block by coefficient
Figure 00000019
;

блоки 8, 12, 26 - интеграторы;blocks 8, 12, 26 - integrators;

блок 10 - блок усиления на коэффициент

Figure 00000020
;block 10 - gain block by coefficient
Figure 00000020
;

блоки 9, 13, 21 - квадраторы;blocks 9, 13, 21 - quadrators;

блоки 11, 15, 22 - блоки усиления на коэффициент [-1];blocks 11, 15, 22 - gain blocks by a factor of [-1];

блоки 16, 19 - блоки усиления на коэффициент [2];blocks 16, 19 - gain blocks by a factor [2];

блоки 17, 20 - перемножители;blocks 17, 20 - multipliers;

блок 18 - блок формирования опорного сигнала;block 18 - block forming a reference signal;

блок 25 - блок усиления на коэффициент

Figure 00000021
;block 25 - gain block by coefficient
Figure 00000021
;

блок 27 - двухпороговое устройство;block 27 is a two-threshold device;

блок 28 - однопороговое устройство;block 28 is a single threshold device;

блоки 29, 32 - блоки принятия решения при гипотезе наличия сигнала;blocks 29, 32 - decision blocks under the hypothesis of the presence of a signal;

блок 30 - блок принятия решения при гипотезе отсутствия сигнала;block 30 - decision block in the absence of a signal hypothesis;

блок 31 - блок, реализующий продолжение наблюдения;block 31 is a block that implements the continuation of the observation;

дополнительно включенные блоки:additionally included blocks:

блок 1 - блок определения узловых точек на интервале;block 1 - block determining the nodal points on the interval;

блок 2 - блок формирования системы интервалов;block 2 - block forming a system of intervals;

блок 3 - блок сравнения оценки помехи с системой интервалов;block 3 is a block comparing the assessment of interference with the system of intervals;

блок 4 - блок определения значения оценки помехи |x*(1)];block 4 - block determining the value of the interference estimate | x * (1)];

блок 5 - блок определения величины коэффициента [ai];block 5 - block determining the magnitude of the coefficient [a i ];

блок 6 - блок определения величины коэффициента [bi];block 6 - block determining the magnitude of the coefficient [b i ];

блок 23 - блок вычисления значения следующей оценки помехи [х*(2)];block 23 - block calculating the values of the following interference estimates [x * (2)];

блок 24 - блок вычисления значения следующей оценки помехи [х*(3)].block 24 is a block for calculating the value of the next interference estimate [x * (3)].

Работает изобретение следующим образом: находится значение оценки помехи х*(1). Значение оценки х*(1) соотносится с системой {Δi}. В результате определяются величины коэффициентов а i(1), bi(1) и дисперсия

Figure 00000022
, которые используются для определения следующей оценки x*(2). С приходом отсчета реализации u1 на основании системы уравнений [3] вычисляется следующая оценка помехи х*(2). Полученное значение x*(2) соотносится с множеством интервалов {Δi} и снова определяется тройка {a i, bi,
Figure 00000023
}. С учетом полученных значений коэффициентов a i(2), bi(2), дисперсии
Figure 00000024
и системы [3] находится следующее значение оценки помехи х*(3). Процедуры определения коэффициентов для следующих оценок на основании системы уравнений повторяется. Получение оценок помехи при нелинейном уравнении состояния происходит при использовании сплайн-интерполяции нелинейной функции, где область динамического диапазона изменений нелинейной функции разбивается на интервалы, в каждом из которых реализуется линейное представление уравнения состояния, что позволяет на каждом из поддиапазонов реализовать фильтр Калмана-Бьюси. Фильтр включает в себя: два уравнения оценки состояния при гипотезах наличия/отсутствия сигнала; уравнения оценки дисперсии на различных интервалах и уравнения правдоподобия, включающего эти оценки, и по результатам вычисления которого выносится решение об обнаружении или необнаружении сигнала.The invention works as follows: the value of the interference estimate x * (1) is found. The value of the estimate x * (1) is related to the system {Δ i }. As a result, the values of the coefficients a i (1), b i (1) and the variance are determined
Figure 00000022
which are used to determine the next estimate x * (2). With the arrival of the implementation count u 1 based on the system of equations [3], the following interference estimate x * (2) is calculated. The obtained value x * (2) correlates with the set of intervals {Δ i } and the triple { a i , b i , is determined again
Figure 00000023
}. Given the obtained values of the coefficients a i (2), b i (2), variance
Figure 00000024
and system [3], the following value of the interference estimate x * (3) is found. The procedure for determining the coefficients for the following estimates based on a system of equations is repeated. Obtaining noise estimates for the nonlinear equation of state occurs when spline interpolation of the nonlinear function is used, where the region of the dynamic range of changes of the nonlinear function is divided into intervals, in each of which a linear representation of the equation of state is realized, which allows implementing a Kalman-Bucy filter on each of the subbands. The filter includes: two equations for assessing the state under the hypotheses of the presence / absence of a signal; equations of variance estimation at various intervals; and likelihood equations that include these estimates, and the calculation of which makes a decision about detecting or not detecting a signal.

Метод сплайн-фильтрации основан на аппроксимации зависимости ƒ(x) сплайн-функцией S1(x), что позволяет использовать линейный фильтр Калмана с коэффициентами, значения которых заранее рассчитываются. Значения a i и bi могут быть получены априори, исходя из вида зависимости ƒ(x) и необходимой точности аппроксимации, так как уравнение Риккати для коэффициента усиления фильтра Калмана не содержит измеряемых данных.The spline filtering method is based on approximating the dependence ƒ (x) by the spline function S 1 (x), which allows the use of a linear Kalman filter with coefficients whose values are calculated in advance. The values of a i and b i can be obtained a priori based on the form of the dependence ƒ (x) and the necessary approximation accuracy, since the Riccati equation for the gain of the Kalman filter does not contain the measured data.

Имитационное моделирование способа сплайн-фильтрации производится в среде пакета MathCAD на основе системы уравнений (6). На первом этапе моделируются шумы формирования и наблюдения реализации белого гауссовского шума, после чего на основании исходного нелинейного динамического уравнения моделируется структурно связанная с сигналом помеха, которая представлена на фиг. 5, где:Simulation of the spline filtering method is performed in the environment of the MathCAD package based on a system of equations (6). At the first stage, noise is generated from the formation and observation of the implementation of white Gaussian noise, after which, based on the initial nonlinear dynamic equation, the noise structurally related to the signal is modeled, which is shown in FIG. 5, where:

i - число дискретных отсчетов;i is the number of discrete samples;

j - число спектральных отсчетов;j is the number of spectral readings;

ni - помеха;n i is the interference;

Fzj - спектральная плотность входной реализации.Fz j is the spectral density of the input implementation.

Описанным выше способом представлен тестовый сигнал и сформирована реализация входного случайного процесса, которые показаны на фиг. 6, где:The test signal is presented in the manner described above and the implementation of the input random process is generated, which are shown in FIG. 6, where:

i - число дискретных отсчетов;i is the number of discrete samples;

zi - входная реализация;z i is the input implementation;

Sti - тестовый сигнал.St i - test signal.

Учитывая специфику реверберации, спектральные плотности помехи и сигнала выбираются одинаковыми, что показано на фиг. 7, где:Given the specifics of the reverb, the spectral densities of the noise and signal are chosen the same, as shown in FIG. 7, where:

i, j - число спектральных отсчетов;i, j is the number of spectral samples;

Fsj - спектральная плотность тестового сигнала;Fs j is the spectral density of the test signal;

Fri - спектральная плотность помехи.Fr i is the spectral density of the interference.

Непосредственное моделирование уравнений (5) производится при условиях, где коэффициент сноса в динамическом уравнении помехи определяется функцией r(x)=-0,05x2-0,3x, которая аппроксимируется кусочно-линейной функцией, представляющей собой два отрезка прямой, при котором входное отношение сигнал/помеха равно 0.5, а число дискретных отсчетов - 64. На фиг. 8 представлены кривые значений помехи и ее оценки, где:Direct modeling of equations (5) is performed under conditions where the drift coefficient in the dynamic interference equation is determined by the function r (x) = - 0.05x 2 -0.3x, which is approximated by a piecewise-linear function, which is two straight line segments in which the input the signal-to-noise ratio is 0.5, and the number of discrete samples is 64. In FIG. Figure 8 shows the interference value curves and its estimates, where:

i - число спектральных отсчетов;i is the number of spectral readings;

ni - помеха;n i is the interference;

n* i - оценка помехи.n * i is the interference estimate.

Рассматривая значения помехи и ее оценку (фиг. 8), в среде MathCAD была определена относительная ошибка способа сплайн-фильтрации, которая составила 0.05% и на основании которой можно констатировать, что метод сплайн-фильтрации позволяет достаточно эффективно решать задачи нелинейной фильтрации помехи и обнаружения сигналов путем представления исходного нелинейного алгоритма как композиции линейного фильтра Калмана-Бьюси.Considering the interference values and its estimation (Fig. 8), the relative error of the spline filtering method was determined in the MathCAD environment, which amounted to 0.05% and on the basis of which it can be stated that the spline filtering method can quite effectively solve the problems of nonlinear filtering of interference and detection signals by representing the original nonlinear algorithm as a composition of a linear Kalman-Bucy filter.

Сравнительный анализ способа сплайн-фильтрации с прототипом и аналогом показал, что предлагаемый подход не уступает по такому показателю, как выходное отношение сигнал-помеха, причем различие сводится к минимуму, если увеличивается число аппроксимирующих отрезков. Способ сплайн-фильтрации дозволяет оценивать случайные процессы, заданные не только скалярным, но и матрично-векторным уравнением. Экстраполяция полученных результатов на этот случай не представляет трудностей, а преимущества предлагаемого подхода в вычислительном отношении, по сравнению с известными методами нелинейной фильтрации, становятся еще более существенными.A comparative analysis of the spline filtering method with the prototype and analogue showed that the proposed approach is not inferior in such an indicator as the output signal-to-noise ratio, and the difference is minimized if the number of approximating segments increases. The spline filtering method allows you to evaluate random processes specified not only by a scalar, but also by a matrix-vector equation. It is not difficult to extrapolate the obtained results to this case, and the advantages of the proposed approach in computational terms, in comparison with the known nonlinear filtering methods, become even more significant.

Список использованных источниковList of sources used

1. Тихонов В.И., Харисов В.Н. Статистический анализ и синтез радиотехнических устройств и систем. М.: Радио и связь, 1991, 608 с.1. Tikhonov V.I., Kharisov V.N. Statistical analysis and synthesis of radio engineering devices and systems. M .: Radio and communications, 1991, 608 p.

2. Казаков В.А. Введение в теорию марковских процессов и некоторые радиотехнические задачи. М.: Советское радио, 1973. 232 с. (прототип, с. 213-222).2. Kazakov V.A. Introduction to the theory of Markov processes and some radio engineering problems. M .: Soviet Radio, 1973.232 p. (prototype, pp. 213-222).

3. Марчук В.И., Шерстобитов А.И., Гавриленко Д.С. Особенности фильтрации цифровых сигналов в условиях ограниченности выборки его исходной реализации. Успехи современной радиоэлектроники. Зарубежная радиоэлектроника. 2011. №9. С. 4-10 (аналог, с. 4-10).3. Marchuk V.I., Sherstobitov A.I., Gavrilenko D.S. Features of filtering digital signals in conditions of limited sampling of its initial implementation. Successes of modern radio electronics. Foreign electronics. 2011. No9. S. 4-10 (analogue, p. 4-10).

4. Бурова И.Г., Демьянович Ю.К. Теория минимальных сплайнов. - СПб: Издательство СПбГУ, 2001. - 315 с.4. Burova I.G., Demyanovich Yu.K. Theory of minimal splines. - St. Petersburg: Publishing House St. Petersburg State University, 2001. - 315 p.

5. Завьялов Ю.С., Квасов Б.Н., Мирошниченко В.Л. Метод сплайн-функций. М.: Наука, 1980.5. Zavyalov Yu.S., Kvasov BN, Miroshnichenko V.L. Spline function method. M .: Nauka, 1980.

6. Розов А.К. Нелинейная фильтрация сигналов. - СПб.: Политехника, 1994. - 381 с.6. Rozov A.K. Nonlinear filtering of signals. - St. Petersburg: Polytechnic, 1994. - 381 p.

7. Бутырский Е.Ю. Обнаружение сигналов на фоне марковской реверберационной помехи // Научное приборостроение. - 2012. - Т. 22. - №1. - С. 87-95.7. Butyrsky E.Yu. Signal detection against the background of Markov reverberation noise // Scientific instrument engineering. - 2012. - T. 22. - No. 1. - S. 87-95.

Claims (1)

Способ сплайн-фильтрации сигналов на основе метода условной марковской фильтрации, содержащей: операции решения уравнений фильтрации для гипотезы наличия/отсутствия сигнала; операции решения уравнения правдоподобия и уравнения для вычисления коэффициентов усиления, отличающийся тем, что для получения оценок помехи при нелинейном уравнении состояния и уменьшении вычислительных затрат при нелинейной фильтрации дополнительно используется операция сплайн-интерполяции нелинейной функции путем операции разбиения динамического диапазона изменений нелинейной функции на интервалы, в каждом из которых реализуется операция линейного представления уравнения состояния, что позволяет на каждом из поддиапазонов реализовать фильтр Калмана-Бьюси, включающего в себя: операции двух уравнений оценки состояния при гипотезах наличия/отсутствия сигнала; операции решения уравнения оценки дисперсии на различных интервалах и операции решения уравнения правдоподобия, включающего эти оценки, и по результатам вычисления которого выносится решение об обнаружении или необнаружении сигнала.A spline filtering method for signals based on the conditional Markov filtering method, comprising: operations for solving filtering equations for the hypothesis of signal presence / absence; operations to solve the likelihood equation and equations for calculating the gain, characterized in that to obtain estimates of the interference in the non-linear equation of state and reduce computational costs in non-linear filtering, the spline interpolation of the non-linear function is additionally used by dividing the dynamic range of changes of the non-linear function into intervals, in each of which implements the operation of linear representation of the equation of state, which allows for each of the subranges ealizovat Kalman-Bucy filter, comprising: two operation state estimation equations for hypothesis presence / absence signal; the operations of solving the dispersion estimation equation at various intervals; and the operations of solving the likelihood equation including these estimates, and the calculation of which makes a decision about detecting or not detecting the signal.
RU2017104009A 2017-02-07 2017-02-07 Method of the signals spline-filtering RU2651640C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017104009A RU2651640C1 (en) 2017-02-07 2017-02-07 Method of the signals spline-filtering

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017104009A RU2651640C1 (en) 2017-02-07 2017-02-07 Method of the signals spline-filtering

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2651640C1 true RU2651640C1 (en) 2018-04-23

Family

ID=62045623

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017104009A RU2651640C1 (en) 2017-02-07 2017-02-07 Method of the signals spline-filtering

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2651640C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2782160C1 (en) * 2021-06-16 2022-10-21 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-Морского Флота "Военно-морская академия им. Адмирала Флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова" Method for signal processing

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1177640B1 (en) * 1999-05-11 2007-05-02 QUALCOMM Incorporated System and method for providing an accurate estimation of received signal interference for use in wireless communications systems
RU2434246C1 (en) * 2010-03-16 2011-11-20 Сергей Борисович Курсин Method of surveying bottom topography of water bodies and apparatus for realising said method
RU2446558C1 (en) * 2011-01-31 2012-03-27 Анна Валерьевна Хуторцева Method of differential pulse-code modulation-demodulation of signals

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1177640B1 (en) * 1999-05-11 2007-05-02 QUALCOMM Incorporated System and method for providing an accurate estimation of received signal interference for use in wireless communications systems
RU2434246C1 (en) * 2010-03-16 2011-11-20 Сергей Борисович Курсин Method of surveying bottom topography of water bodies and apparatus for realising said method
RU2446558C1 (en) * 2011-01-31 2012-03-27 Анна Валерьевна Хуторцева Method of differential pulse-code modulation-demodulation of signals

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Е.Ю. Бутырский и др. К вопросу о сплайн-фильтрации сигналов. Научное приборостроение, 2010, том 20, номер 3, с. 64-76. *
Е.Ю. Бутырский. Сплайн-модели сигналов и сплайн-фильтрация. Национальная безопасность и стратегическое планирование. 2014, номер 2(6), с. 43-56. *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2782160C1 (en) * 2021-06-16 2022-10-21 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-Морского Флота "Военно-морская академия им. Адмирала Флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова" Method for signal processing
RU2801897C1 (en) * 2022-07-05 2023-08-17 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-Морского Флота "Военно-морская академия им. Адмирала Флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова" Signal processing method
RU2800493C1 (en) * 2022-11-18 2023-07-21 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" Method for synthesizing a signal spline and a synthesizer for its implementation using a bessel interpolator

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Godsill et al. Statistical reconstruction and analysis of autoregressive signals in impulsive noise using the Gibbs sampler
Reich A nonparametric ensemble transform method for Bayesian inference
Keesman et al. Identification and prediction propagation of uncertainty in models with bounded noise
Luz et al. Minimax-robust filtering problem for stochastic sequences with stationary increments
RU2549207C2 (en) Device for detecting hydroacoustic noise signals based on quadrature receiver
RU2651640C1 (en) Method of the signals spline-filtering
Palahin et al. Modeling of joint signal detection and parameter estimation on the background of non-Gaussian noise
Atamanyuk Optimal polynomial extrapolation of realization of a random process with a filtration of measurement errors
Arce et al. Median power and median correlation theory
RU2801897C1 (en) Signal processing method
Morgan On level-crossing excursions of Gaussian low-pass random processes
CN109815866A (en) A Noise Removal Method Based on Data Fusion
Liu et al. State estimation for discrete-time Markov jump linear systems with multiplicative noises and delayed mode measurements
KR101644560B1 (en) 2-STEP FDOA/FDOA estimation Method and Apparatus
Ren et al. A Ziv-Zakai type bound for hybrid parameter estimation
Nagar et al. A bivariate distribution whose marginal laws are gamma and Macdonald
RU2393535C1 (en) Device for processing of signals based on double-criteria method
Liu et al. Bayesian unscented Kalman filter for state estimation of nonlinear and non-Gaussian systems
RU2782160C1 (en) Method for signal processing
RU2541919C1 (en) Method to increase accuracy of approximation during extraction of useful signal under conditions of prior uncertainty and device that implements it
Rocher et al. Noise probability density function in fixed-point systems based on smooth operators
Hasan et al. Autocorrelation model-based identification method for ARMA systems in noise
Carbone et al. Non-parametric estimation of probability density functions via a simple interpolation filter
RU2541916C1 (en) Method to reduce error of evaluation of useful component under conditions of prior uncertainty and device that implements it
Zasov Stability Verification of Statistical Methods for Signal Separation

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20190208

NF4A Reinstatement of patent

Effective date: 20210405