Введение к работе
Актуальность. Задачи обнаружения коротких квазипериодических сигналов малой мощности в гауссовском в шуме решаются: в акустической и гидроакустической локации, в радиолокации и радиосвязи, в пассивном зондировании, в лидарных измерениях, в лазерной доплеровской анемометрии, при селекции радиоимпульсов, при анализе биомедицинских сигналов, при исследовании режима перемежаемости открытых динамических систем, в исследованиях нестационарных процессов различной природы.
Детектирование квазипериодических сигналов малой мощности особенно актуально: при регистрации доплеровским анемометром единичной движущейся частицы или потока частиц малой плотности в условиях помех; при обнаружении отдельных радиоимпульсов в шуме; при детектировании режима перемежаемости открытых динамических систем. Вид, частота и время появления сигналов при этом, как правило, неизвестны, а для анализа доступна единственная реализация процесса в дискретном представлении.
Решить задачу обнаружения в данном случае можно только путём увеличения чувствительности спектрального детектирования, так как из существующих методов детектирования именно спектральный анализ требует меньше всего априорных данных об исследуемом сигнале.
Таким образом, проблема увеличения чувствительности детектирования коротких квазипериодических сигналов в шуме на основе спектрального анализа является актуальной.
Цель работы: Разработка метода увеличения чувствительности детектирования коротких квазипериодических сигналов малой мощности в гауссовском шуме посредством спектрального анализа и создание устройства, реализующего спектральное детектирование.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
- Разработка статистического способа спектрального детектирования и
измерения частоты квазипериодических сигналов в гауссовском шуме.
Разработка метода увеличения чувствительности спектрального детектирования сигналов; разработка оконного спектрально-статистического способа детектирования.
Разработка и создание устройств, реализующих детектирование сигналов в гауссовском шуме предложенными способами.
Проведение детектирования и измерения характеристик тестовых сигналов, переданных по физическим каналам связи (проводному, оптическому, акустическому) и экспериментальное подтверждение
работоспособности устройств и алгоритмов, лёгших в их основу.
Экспериментальное определение границ применимости статистического способа спектрального детектирования: получение зависимостей вероятности обнаружения сигнала от значения универсального спектрального критерия.
- Экспериментальное определение границ применимости оконного спектрально-статистического способа: получение зависимостей вероятности обнаружения сигнала от значения универсального спектрального критерия.
Научная новизна:
-
Предложен способ детектирования квазипериодических сигналов в гауссовском шуме, основанный на применении разработанного статистического критерия выброса в спектре гауссовского шума.
-
Предложен универсальный спектральный критерий возможности обнаружения квазипериодического сигнала в гауссовском шуме статистическим способом спектрального детектирования, основанный на оценке отношения энергии квазипериодического сигнала и энергии шума.
-
Разработан метод увеличения чувствительности спектрального детектирования коротких квазипериодических сигналов малой мощности в гауссовском шуме, основанный на увеличении относительной энергии квазипериодического сигнала путём разделения аддитивной смеси сигнала и шума на участки и применении статистического критерия выброса к массиву максимумов спектров фрагментов гауссовского шума.
-
Разработаны устройства для обнаружения и измерения характеристик квазипериодических сигналов в гауссовском шуме предложенными способами детектирования.
Теоретическая ценность: Разработан способ детектирования квазипериодических сигналов в гауссовском шуме на основе анализа статистики спектра. Разработан универсальный спектральный критерий, позволяющий оценить возможность обнаружения квазипериодических сигналов в гауссовском шуме, на основе критерия выявлены границы применимости статистического способа спектрального детектирования квазипериодических сигналов в гауссовском шуме. Предложен метод увеличения чувствительности спектрального детектирования.
Практическая ценность: Разработано и создано устройство, реализующее статистический способ спектрального детектирования квазипериодических сигналов в гауссовском шуме. Разработано и создано устройство, реализующее детектирование оконным спектрально-статистическим способом. Разработана методика детектирования квазипериодических сигналов в гауссовском шуме, на основе которой из априорных данных о
физической природе сигнала определяется метод и оптимальные условия детектирования сигнала.
Достоверность и обоснованность результатов обеспечивается корректным использованием методов математического анализа, теории вероятностей и математической статистики, методов теории сигналов. Математические преобразования при получении теоретических результатов сопровождались проверкой истинности выдвигаемых промежуточных гипотез на численных моделях, соответствующих теоретическим.
Разработанные устройства тестировались на эталонных сигналах с известными параметрами; проводилось тестовое детектирование сигналов, переданных по физическим каналам связи (проводному, оптическому, акустическому).
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на международных конференциях: "Лазеры. Измерения. Информация" (г. Санкт-Петербург, 2009 г.), "Теоретические знания - в практические дела" (г. Омск, 2009 г.), "Математическое моделирование в образовании, науке и производстве" (г. Тирасполь, 2009 г.), "Компьютерная математика в науке, инженерии и образовании" (г.Полтава, 2009г.), "Лазерно-информационные технологии в медицине, биологии и геоэкологии" (г.Новороссийск, 2009 г.), "Информационные и коммуникационные технологии в образовании" (г. Борнсоглебск, 2009 г.), "Современные проблемы математики и вычислительной техники" (г. Брест, 2009 г.), "Современные достижения в науке и образовании: математика и информатика" (г.Архангельск, 2010г.), "Образование, наука, инновации -вклад молодых исследователей" (г. Кемерово, 2010 г.), "Интеллектуальный потенциал учёных России" (г.Барнаул, 2010г.), "Лазеры. Измерения. Информация" (г. Санкт-Петербург, 2010 г.), "Измерение, контроль, информатизация" (г. Барнаул, 2010 г.), "Энергетика предприятий АПК (секция "Физико-математические основы решения инженерных задач")" (г.Пушкин, 2011г.), "Лазеры. Измерения. Информация" (г. Санкт-Петербург, 2011 г.); на всероссийских конференциях: "Интеллектуальный потенциал учёных России" (г. Барнаул, 2009 г.), "Современные проблемы создания и эксплуатации радиотехнических систем" (г. Ульяновск, 2009 г.), "Системы автоматизации в образовании, науке и производстве" (г. Новокузнецк, 2009 г.), "Имитационное моделирование. Теория и практика" (г. Санкт-Петербург, 2009 г.), "Череповецкие научные чтения" (г. Череповец, 2009 г.), Рабочая группа "Аэрозоли Сибири" (г. Томск, 2009 г.), "Актуальные проблемы современной науки и образования" (г. Сибай, 2010 г.); а также на Евразийском Конгрессе "Медицинская
физика" (г. Москва, 2010 г.).
Личный вклад автора. В ходе выполнения научно-исследовательской работы основные результаты диссертации и защищаемые положения получены автором самостоятельно. Постановка задач, обсуждение результатов, оценка степени научной новизны проводились совместно с Шайдуком Александром Михайловичем и Останиным Сергеем Александровичем. Создание экспериментальных установок для проведения физических экспериментов осуществлялось совместно с Останиным С. А.
Публикации. По результатам проведённых исследований опубликовано 24 работы, в том числе, 4 статьи в журналах, рекомендуемых ВАК, 20 статей и тезисов докладов в трудах международных, всероссийских научных, научно-практических, научно-технических конференций.
Положения, выносимые на защиту:
Статистический способ спектрального детектирования квазипериодических сигналов в гауссовском шуме и универсальный спектральный критерий оценки возможности обнаружения сигнала данным способом.
Метод увеличения чувствительности спектрального детектирования коротких квазипериодических сигналов в гауссовском шуме; оконный спектрально-статистический способ детектирования.
Устройство для автоматизированного детектирования и измерения характеристик коротких квазипериодических сигналов малой мощности в гауссовском шуме.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения, списка литературы, состоящего из 173 наименований; содержит 32 рисунка, 5 таблиц и изложена на 154 страницах машинописного текста.
