Введение к работе
.актуальность проблемы. Прогресс во многих отраслях науки и техники, стремление повысить эффективность научных исследований и производственной деятельности, требования к поддержанию и укреи-; ленюо обороноспособности -. эти и другие факторы выдвигают в число важнейших теоретических и практических задач проблему исследования многомерных пространственно-временных случайных функций -случайных полей. ",.: ' ' .
Основная задача исследования поля, которая формулируется как задача обнаружения разладки и классификации временных рядов, решается методши цифровой обработки сигналов (ЦОС).
Сложность систем ЦОС, их высокая стоимость и значительные потери от неэффективности принятых при их построении технических решений обусловили значительный прогресс в области теории цифровой обработки сигналов.
Фундаментальные основы математических методов ЦОС разработаны в трудах Б.Р.Левина, В.А.Лихарева, Г.Я.Мирского, Л.П.Ярославского. Исследования в области теории измерений выполнены П.В.Новицким, Т.И.Кавалеровым, Э.И.Цветковым и другими учеными. Среди зарубежных исследователей следует отметить Л.Кампа, - Дж.Бендата, А.Пирсола, Дй.Тьюки, А.Оппенгейма, Б.Гоулда.
Большой вклад в теорию и практику создания таких систем ; внесли работы В.А.Тайского, Н.Н.Гаткина, В.В.Гусева, А.К.Новикова, В.В.Ольшевского, Я.А.Хетагурова. .
"На основе трудов этих и других ученых создан ряд ставших тра
диционными алгоритмов спектрально-корреляционной и пространствен-,
ной обработки сигналов, и построены многочисленные системы ЦОС
- различного назначения-. -
Одна из сфер широкого применения ЦОС - прикладная гидрофизи-' ка. В течение многих лет основной областью гидрофизики, для которой разрабатывались специальные приборы и устройства и методы обработки наблюдений, была и остаётся гидроакустика. Для. объектов наблюдений - современных подводных лодок - характерны высокая скорость хода, низкая шумность, отсутствие дискретных составляющих в спектре шуыоизлучения, малая турбулентность кильватерной струи.
Эти и другие особенности делают малоэффективными традиционные методы параметрического оценивания и спектрального анализа из-за отсутствия информации о' характерных особенностях спектральных портретов и жестких ограничений на время принятия решения.
Задачи гидроакустического обнаружения требуется решать в ус- '
ловиях энергетических и массо-габаритных ограничений, ориентиру
ясь на создание специализированных процессоров с использованием
заказных БИС и СБИС. Используемые для сбора информации фазирован
ные антенные решетки (ФАР) требуют многоканального ввода и обра
ботки сигналов. ц , .
Построение эффективных систем этого класса невозможно без решения теоретических и практических вопросов непараметрического оценивания в условиях малых выборок, построения классификационных признаков и решающих функций, определения рациональных вариантов структур и параметров технических' средств, повышения их производительности и улучшения эксплуатационных характеристик.
Широкое распространение .получают системы ЦОС для исследования характеристик водных масс в связи с глобальным экологическим мониторингом. Для них характерны такие же особенности, как для систем гидроакустического обнаружения. Значительная распределенность в пространстве, разнообразие типов носителей гидрофизической аппаратуры, высокие требования к точности и высокая трудоемкость измерений делают особенно актуальной задачу параметрического и структурного синтеза многоканальных систем ЦОС с учетом точности и затрат на их создание и эксплуатацию. -
Аналогичные проблемы возникают при создании многоканальных автоматизированных систем для анализа и мониторинга параметров вибрации и других характеристик оборудования с целью оперативной оценки его технического состояния, диагностики неисправностей и прогнозирования остаточного ресурса. В таких системах особую важность приобретает сокращение времени испытаний, эффективная организация баз данных и разработка эффективных процедур их статистического анализа. " -" , - .. : .''";".''' \-.л ''-.-.
К ьадачам анализа случайных полей относится мониторинг состо- V яния больного в условиях проведения реабилитационных мероприятий, . а также при кардиологических и нейрофизиологических исследованиях. Особую важность имеет , своевременное обнаружение изменения состояния больного, что эквивалентно решению задачи обнаружения
-:5. -
разладки временного ряда. Малые уровни сигналов (например, на вы-.ходах электродов при злектроэнцефалографических исследованиях) в условиях сильных помех,' большой динамический диапазон, значительные различия в частоте сбора данных по каналам, высокие требования, к надежности техники и к безопасности пациента - эти и другие факторы обусловливают в данном применении, необходимость эффектов-. но решать задачу параметрического и структурного синтеза. Условия реального времени требуют наличия "быстрых" алгоритмов анализа; в то же время, широкое распространение медицинских методик и рекомендаций, основанных на традиционных методах и алгоритмах, делает нежелательным их существенное изменение. Для широкого внедрения систем мониторинга необходимо обеспечить их низкую стоимость и зозможность обслуживания персоналом с низкой технической квалификацией.
Все перечисленные выше задачи составляют проблему повышения эффективности оперативного решения задач исследования случайных полей.
Цели работ. Целями работы являются:
- исследование . и разработка новых методов и алгоритмов обна
ружения разладки и классификации многомерных временных рядов, яз-
ляющихся моделью случайного изотропного поля, в условиях неполно
ты априорной информации и в реальном масштабе времени;
- улучшение характеристик и повышение эффективности известных методов и алгоритмов спектратьно-корреляционного оценивания;
- разработка теоретических основ инженерной методики проек
тирования систем ЦОС, обеспечивающих требуемую точность обработ
ки сигналов и оптимальных по своим экономическим характеристикам;
- - создание на ихбазе алгоритмических и . программных средств для автоматизации основных процедур принятия решений по проектированию таких систем и разработка с их помогаю специализированных систем обработки информации.
Методи исследования. В теоретических исследованиях применены
методы теории вероятностей, теории информации, математичесгай
статистики, цифровой обработки сигналов, теории графов, теории
цепей и теории оптимизации. При экспериментальных исследованиях
использовались метода имитационного моделирования, оценочного
программирования и макетирование основных схемотехнических реше
ний. . "
-в -:
Научная новизна. На основе анализа методов спектрального оценивания применительно к условиям коротких выборок обосновано применение для указанных целей информационных критериев и основанных на них методов исследования случайных процессов.'
Доказано, что в определённых случаях информанюнные оценки, характеристик случаинш полей, основанные на методе максимальной энтропии, могут быть получены аналитически, что позволяет эффективно решить проблему вычислимости. /'" ..- .-,'..': .-.' ;-
Сделан вывод о. возможности выбора такой формы представления многомерного временного ряда,, которая обеспечивает простоту вычислительных операций при'решении задачи максимизации энтропии. Искомая форма представления была определена, разработаны и исследованы необходимые алгоритмы.. '. ..,.';. , ..
Для обоснования алгоритмов,принятия решений,по информационным критериям получены аналитические результаты, являющиеся развитием основ теории нэпараметрическсто оценивания для решения задач про- . верки статистических гипотез. - . "-- /"..-' ./.... ['-
На основе.теоретических результатов в области построения1 эффективных , процедур информационного оценивания многомерных пространственных временных рядов предложен новый методгоценки однородности . их статистических характеристик - метод множественной ант-.
* Поскольку эффективность информационных методов оценивания су-,
щественно зависит от точности обработки данных, то для решения
сформулированной в работе задачи синтеза систем ЦОС проведён ана
лиз основных источников погрешностей,' возникающих б трактах циф
ровой обработки информации, включая такие источники, как вычисли
тельные методы и реализующие их алгоритмы, . ограниченная" надеж
ность технических и . программных средств и действия оператора.
Учитывая физическую разнородность ; всех -источников погреш
ностей, для их комплексного учета выбран информационный критерий.
Предложена и обоснована его форма - интегральная неопределённость
информации. На его основе решена задача синтеза структуры и опре
деления параметров цифровой системы обарботки сигналов по задан
ной величине критерия точности, оптимальной .тга затратам.на созда
ние и эксплуатацию. -,/-"-' ::.'. *, ---.
Анализ известных методов спектрального" оценивания. сточки зрения требований к его точности позволил теоретический обосновать
и практически-реализовать упрощенные алгоритмы вычисления диск-
..ретного преобразования Фурье. . .,
., Для решения частных задач выбора важнейших параметров таких систем (подсистемы стабилизации характеристик, направленности, подсистемы ввода данных", процессора и т.п.) разработаны, алгоритмы, обеспечивающие, возможность их автоматизированного проектирования. При'их создания проведен соответствующий теоретический анализ, на основе которого получены необходимые обоснования и рекомендации, сформулированные в виде методик 'проектирования подсистем и временных диаграмм многоканального ввода сигналов, стабилизации диаграмм направленности фазкрозанных антенных решеток и выбора параметров, и структуры вычислительных модулей.
Практическая ценность. На основе теоретического анализа и разработанных методов создано математическое, программное, техническое и методическое обеспечение для решения практических задач ' повышения эффективности оперативного исследования статистических характеристик случайных полей.
Разработаны и внедрены алгоритмы построения'реиа'сщпх функций при непараметрическом'оценивании в условиях коротких выборок, эффективно функционирующие в реальном- масштабе времени. ." * Разработаны и внедрены программные комплексы для решения задач -обнаружения .внутренних: волн, ^ анализа компрессии спектра, і оценки синхрошости электрических процессов в коре головного мозга.
Разработана и. внедрена, методика проектирования многоканальных . информационнс-гизмерительныхи вычислительных систем и их отдельных . ' функциональных подсистем, v-v / ".' л":-.'.-'.'-''У
Разработаны и внедрены шформаціюнно-измеритєльньге и вычисли-' тельные ситемы различногоназначения.;-.'.'' .-,
Реализация результатов / работ. ': Разработки аппаратурных и программных" средств, использующё методы и алгоритмы проектирова- . нйя, предложенные в диссертации, были реализованы в виде -.'
бортового регистратора, границ бинарной структуры океана (проведены испытания на ВСЕ "Яісебкиково" в рейсе ПСТ №-1346 "На-горск" на акватории Севрного Ледовитого океана в 1983-84 г.г.);
мобильного стенда обработки и отображения ' информации, поступающей от буйковых ' станций (внедрён в практику гидрофизических исследований на КИС :': "Академик Вернадский" (Черноморский рейс 1986 г.. л 35-й Атлантический рейс,1987 г.) и НЙС "Михаил Ло-"
монооов" (Черноморский рейс 1986 г. и 45-й Атлантический рейс
1985-86 Г.г.); - ' . -
информационно-измерительной системы для :пескодувно-им-пульсно-прессовой установки (внедрена в АО "Литаформ" и подготовлена к внедрению на Камском автомобильном заводе);
макета специализированного процессора, выполняющего упро-' "' щенное дискретное преобразование Фурье, для НИИ "Атолл"; , , ";
макета цифрового фильтра для предварительной обработки гидроакустических сигналов для НИИ."Атолл"; , .
информационно-измерительной системы контроля вибросостояния ' главных циркуляционных насосов Смоленской АУО; .. ./.- і
программного обеспечения для решения задач обнаружения '! внутренних еолн в рамках НИР "Марципан-УН";
программного обеспечения для решения: &адач оценки комп- рессии спектра в рамках НИР "Быстрота"; .''.' ' ^
программного обеспечения прцедур автоматизированного про- і ектирования элементов систем цифровой обработки сигналов (внедре- . ; ны в НПО "Славутич"); .
программной систеш для анализа синхронности электрической активности коры головного мозга, внедрённой в Институте высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН и в ряде клиник России;
- методики проектирования информационно-измерительных систем по критерию точности (внедрены при практической реализации информационно-вычислительных систем и их элементов). .... '
Апробация рабош. Содержание и основные результата диссертации докладывались на научно-технических конференциях Московского -инженерно-физического института в 1970-80 г.г., на Всесоюзных конференциях в МДНТП им. Ф.Э.Дзержинского (1965, 1979, 1987 г.г.-), на Межвузовских конференциях по технической кибернетике и . вычислительной технике (1969, 1970 г.г.), на XXIV. Всесоюзной сессии общества им. А.С.Попова (1968 г.), на I Всесоюзном совещании по технической диагностике (1969' г.), ,на V. Всесоюзной школе "Автоматизация научных исследований морей и скеаноз" (Севастополь, 1980 г.), на IV Межотраслевой конференции "Проблемы исследований в области изучения и освоения Мирового океана" (Владивосток , 1983-г.), на Всесоюзной конференции НТО им. акад. С.И. Вавилова "Информационно-измерительвне системы и точность в приборостроении" (Москва, 1984 т.), на Всесоюзных школах-семина-
9.-
рах "Системы автоматизированного проектирования" (Гурзуф, 1982-84 г.г.), на V,Всесоюзной конференции, по информационно-измерительным система» {Ленинград, 1985 г.),. на Всесоюзной школе "Технические
'средства и методы исследования Мирового океана" (Москва, 1987 г.), на Всесоюзном семинаре "Системы экологического контроля вод". (Се-
* вастсполь,, 1991 г.), на Международном .форуме "Информатизация" (Москва, 1993 г.),':.на II Международной конференции "Качество.информации" (Москва, 1993 г.). а также на совещаниях в МГИ АН УССР, в НПО "Атолл", в АКЙН им. акад. Н.Н.Андреева и на заседаниях секции 4-А научно-технического; совета 10 - Главного :. управления Минсудпрома. . ....
Публикации. По материалам, диссертации опубликовано 60 печатных работ, в тем числе - две монографии, получено'пять авторских
. свидетельств на изобретения." . ; -'. ,;
Cmpytmypa и объём работ. Диссертация состоит из' введения, шести глав, заключения, . списка литературы (128 наименований) и приложения, изложенных на 230 страницах, имеет 27 рисунков и 4 таблицы. :''''. .'''..'..''-''.
