RU2510037C1 - Apparatus for detecting narrow-band hydroacoustic niose signals based on continuous wavelet transformation - Google Patents

Abstract

FIELD: radio engineering, communication.

SUBSTANCE: apparatus for detecting narrow-band hydroacoustic noise signals based on continuous wavelet transformation includes an analogue-to-digital converter, the input of which is the input of the apparatus, and the output is connected to the input of a recirculator, a threshold device whose output is the output of the apparatus, and the input is connected to the output of a unit for averaging squared moduli, an adder whose output is connected to the input of the unit for averaging squared moduli and the input of random-access memory, the output of which is connected to the second input of the adder, the first input of which is connected to the output of a multiplier, the first input of which is connected to the output of the recirculator, and the second input is connected to the output of read-only memory, wherein control inputs of the analogue-to-digital converter, the recirculator, the threshold device, the unit for averaging squared moduli, the read-only memory, the multiplier, the adder and the random-access memory are connected to outputs of the control device.

EFFECT: low hardware costs for making the apparatus for detecting narrow-band hydroacoustic noise signals based on continuous wavelet transformation.

1 dwg

Description

Изобретение относится к области гидроакустики, а именно к устройствам обнаружения узкополосных шумовых сигналов (со спектральной плотностью мощности в виде отдельных дискретных составляющих или их звукорядов) на фоне аддитивной помехи.The invention relates to the field of hydroacoustics, and in particular to devices for detecting narrow-band noise signals (with a power spectral density in the form of individual discrete components or their scale) against the background of additive interference.

Известно устройство обнаружения узкополосных шумовых гидроакустических сигналов на основе вычисления интегрального вейвлет-спектра (RU 2367970 С2, МПК G01S 3/80 (2006.01), опубл. 20.09.2009), основанное на вычислении непрерывного вейвлет-преобразования входного процесса на базе комплексного аналитического вейвлета, относительная полоса амплитудного спектра которого совпадает с относительной полосой спектральной плотности мощности обнаруживаемого сигнала.A device for detecting narrow-band noise hydroacoustic signals based on the calculation of the integral wavelet spectrum (RU 2367970 C2, IPC G01S 3/80 (2006.01), publ. 09/20/2009), based on the calculation of the continuous wavelet transform of the input process based on a complex analytical wavelet, the relative band of the amplitude spectrum of which coincides with the relative band of the power spectral density of the detected signal.

Это устройство, выбранное в качестве прототипа, содержит аналого-цифровой преобразователь, на вход которого подается входной сигнал, а выход которого соединен с входом рециркулятора, выход которого соединен с входом первого вычислителя быстрого преобразования Фурье; вычислитель квадрата модуля, выход которого соединен с входом устройства осреднения, выход которого соединен с входом порогового устройства, выход которого является выходом устройства; М комплексных перемножителей, с первыми входами которых соединен выход первого вычислителя быстрого преобразования Фурье, а выходы которых соединены с входами М вычислителей обратного быстрого преобразования Фурье, выходы которых соединены с входами вычислителя квадрата модуля; постоянное запоминающее устройство, выход которого соединен с входом второго вычислителя быстрого преобразования Фурье, выход которого соединен с входом устройства обнуления отрицательных частот, выход которого соединен с входом устройства комплексного сопряжения, выход которого соединен с входами М масштабирующих устройств, выходы которых соединены со вторыми входами М комплексных перемножителей; управляющее устройство, выходы которого соединены с управляющими входами аналого-цифрового преобразователя, рециркулятора, первого вычислителя быстрого преобразования Фурье, устройства осреднения, порогового устройства, постоянного запоминающего устройства, второго вычислителя быстрого преобразования Фурье и М вычислителей обратного быстрого преобразования Фурье.This device, selected as a prototype, contains an analog-to-digital converter, the input of which is supplied with an input signal, and the output of which is connected to the input of the recirculator, the output of which is connected to the input of the first fast Fourier transform computer; a module square calculator, the output of which is connected to the input of the averaging device, the output of which is connected to the input of the threshold device, the output of which is the output of the device; M complex multipliers, with the first inputs of which the output of the first fast Fourier transform computer is connected, and the outputs of which are connected to the inputs of M inverse fast Fourier transform computers, the outputs of which are connected to the inputs of the module square calculator; read-only memory, the output of which is connected to the input of the second fast Fourier transform computer, the output of which is connected to the input of the negative frequency zeroing device, the output of which is connected to the input of the complex interface device, the output of which is connected to the inputs M of scaling devices, the outputs of which are connected to the second inputs M complex multipliers; a control device whose outputs are connected to the control inputs of an analog-to-digital converter, a recirculator, a first fast Fourier transform computer, an averaging device, a threshold device, read-only memory, a second fast Fourier transform computer and M inverse fast Fourier transform computers.

Недостатком устройства является сложность реализации и, как следствие, большие аппаратурные затраты. Так, например, только перечисленные два блока вычисления быстрого преобразование Фурье являются сложными арифметическими устройствами, содержащими регистры, умножители и сумматоры (см., например, RU 2190874, МПК G06F 17/14, опубл. 10.10.2002). Еще более затратными являются М вычислителей обратного быстрого преобразования Фурье.The disadvantage of this device is the complexity of implementation and, as a result, high hardware costs. So, for example, only the above two blocks of calculation of the fast Fourier transform are complex arithmetic devices containing registers, multipliers and adders (see, for example, RU 2190874, IPC G06F 17/14, publ. 10.10.2002). Even more costly are M inverse fast Fourier transform calculators.

Задачей изобретения является упрощение конструкции устройства при сохранении его достоинств, основанных на вейвлет-преобразовании входного сигнала.The objective of the invention is to simplify the design of the device while maintaining its advantages, based on the wavelet transform of the input signal.

Поставленная задача достигается тем, что устройство обнаружения узкополосных шумовых гидроакустических сигналов на основе непрерывного вейвлет-преобразования содержит, также как в прототипе, аналого-цифровой преобразователь, вход которого является входом устройства, а выход соединен со входом рециркулятора, пороговое устройство, выход которого является выходом устройства, а вход подключен к выходу блока осреднения квадратов модулей, постоянное запоминающее устройство и управляющее устройство, выходы которого соединены с управляющими входами аналого-цифрового преобразователя, рециркулятора, постоянного запоминающего устройства, блока осреднения квадратов модулей и порогового устройства.The problem is achieved in that the device for detecting narrow-band noise hydroacoustic signals based on a continuous wavelet transform contains, as in the prototype, an analog-to-digital converter, the input of which is the input of the device, and the output is connected to the input of the recirculator, a threshold device, the output of which is the output devices, and the input is connected to the output of the unit averaging squares of modules, a read-only memory and a control device, the outputs of which are connected to the control unit E inputs of analog-to-digital converter, a recirculator, a read only memory, block averaging squares of moduli and threshold device.

Согласно изобретению введены умножитель, оперативное запоминающее устройство и сумматор, выход которого соединен со входом блока осреднения квадратов модулей и со входом оперативного запоминающего устройства, выход которого подключен ко второму входу сумматора, первый вход которого связан с выходом умножителя, первый вход которого соединен с выходом рециркулятора, а второй вход подключен к выходу постоянного запоминающего устройства, при этом управляющие входы умножителя, сумматора и оперативного запоминающего устройства соединены с выходами управляющего устройства.According to the invention, a multiplier, a random access memory and an adder are introduced, the output of which is connected to the input of the averaging unit of the squares of the modules and to the input of the random access memory, the output of which is connected to the second input of the adder, the first input of which is connected to the output of the multiplier, the first input of which is connected to the output of the recirculator and the second input is connected to the output of the permanent storage device, while the control inputs of the multiplier, adder and random access memory are connected with the outputs of the control device.

Основные вычислительные и, соответственно, аппаратные затраты в устройстве обнаружения узкополосных шумовых гидроакустических сигналов на основе вычисления интегрального вейвлет-спектра (прототип) приходятся на вычисление непрерывного вейвлет-преобразования. Если всего устройство-прототип состоит из 14 блоков, то на долю вычисления непрерывного вейвлет-преобразования (НВП) приходится большая часть (блоки с 3 по 10, из них блоки 4, 5 и 10 повторяются в количестве М экземпляров). Предлагаемое устройство заменяет по сравнению с прототипом только блоки, которые предназначены для вычисления НВП, на более простые в реализации и их меньше по количеству. При этом предлагаемое устройство содержит все остальные блоки прототипа, необходимые для функционирования всего устройства. Поэтому, показав корректность вычисления непрерывного вейвлет-преобразования с помощью предлагаемого устройства и сохранив все остальные блоки прототипа, можно считать, что функциональность предлагаемого устройства будет соответствовать функциональности прототипа.The main computational and, consequently, hardware costs in the device for detecting narrow-band noise hydroacoustic signals based on the calculation of the integral wavelet spectrum (prototype) are to calculate the continuous wavelet transform. If the prototype device consists of 14 blocks in total, then the bulk of the calculation of the continuous wavelet transform (NVP) is the majority (blocks 3 through 10, of which blocks 4, 5, and 10 are repeated in the number of M copies). The proposed device replaces, in comparison with the prototype, only the blocks that are designed to calculate the NVP, with simpler to implement and fewer in number. Moreover, the proposed device contains all the other blocks of the prototype necessary for the functioning of the entire device. Therefore, showing the correctness of the calculation of the continuous wavelet transform using the proposed device and saving all the other blocks of the prototype, we can assume that the functionality of the proposed device will correspond to the functionality of the prototype.

Непрерывное вейвлет-преобразование произвольного сигнала S(t) описывается уравнением:The continuous wavelet transform of an arbitrary signal S (t) is described by the equation:

$$W\left(a,b\right)=\frac{1}{\sqrt{a}}{\displaystyle \underset{-\infty }{\overset{+\infty }{\int }}S\left(t\right)\cdot \Psi \left(\frac{t-b}{a}\right)dt}$$

$$W\left(a,b\right)=\frac{\mathrm{one}}{\sqrt{a}}{\displaystyle \underset{-\infty }{\overset{+\infty }{\int }}S\left(t\right)\cdot \Psi \left(\frac{t-b}{a}\right)dt}$$

где W(a,b) - искомое вейвлет-преобразование;where W (a, b) is the desired wavelet transform;

t - время;t is the time;

$$\Psi \left(\frac{t-b}{a}\right)$$

- некоторая функция с определенными свойствами (вейвлет); $$\Psi \left(\frac{t-b}{a}\right)$$

- some function with certain properties (wavelet);

b - сдвиг по времени;b is the time shift;

a - масштаб по времени (соответствующий частоте).a - time scale (corresponding to frequency).

Для оцифрованного с равномерным шагом сигнала, имеющего конечные пределы по времени, интеграл в уравнении (1) аппроксимируем конечной суммой и получим:For a signal digitized with a uniform step and having finite time limits, we approximate the integral in equation (1) by a finite sum and obtain:

$$W\left(a_j,b_k\right)=\frac{1}{\sqrt{a_j}}{\displaystyle \sum _{i=0}^{N}S\left(t_i\right)\cdot \Psi \left(\frac{t_i-b_k}{a_j}\right)}\Delta t,$$

$$W\left(a_j,b_k\right)=\frac{\mathrm{one}}{\sqrt{a_j}}{\displaystyle \sum _{i=0}^{N}S\left(t_i\right)\cdot \Psi \left(\frac{t_i-b_k}{a_j}\right)}\Delta t,$$

$$\left(2\right)$$

$$\left(2\right)$$

где i, j, k - индексы по времени t, по масштабу а, по сдвигу по времени b;where i, j, k are indices in time t, in scale a, in shift in time b;

N- количество шагов по времени;N is the number of time steps;

М - количество масштабов а_j;M is the number of scales a _j ;

Δt - шаг по времени;Δt is the time step;

S(t_i) - оцифрованный сигнал (входные данные).S (t _i ) - digitized signal (input data).

При этом шаг по времени Δt определяют по частоте дискретизации f _d, удовлетворяющей требованию теоремы Котельникова:Moreover, the time step Δt is determined by the sampling frequency f _d satisfying the requirement of Kotelnikov's theorem:

$${\sout{\int }}_d=\frac{1}{\Delta t}\ge 2{\sout{\int }}_{\max }$$

$${\sout{\int }}_d=\frac{\mathrm{one}}{\Delta t}\ge 2{\sout{\int }}_{\max }$$

$$\left(3\right)$$

$$\left(3\right)$$

где ƒ_max - максимальная частота, которой ограничен спектр полезной составляющей входного сигнала.where ƒ _max is the maximum frequency to which the spectrum of the useful component of the input signal is limited.

Количество шагов по времени N (или количество отсчетов входных данных в анализируемой выборке сигнала) определяется необходимым промежутком времени исследования сигнала NΔt, который должен быть не менее одного периода для составляющей сигнала с минимальной частотой.The number of time steps N (or the number of input data samples in the analyzed signal sample) is determined by the necessary time interval for studying the signal NΔt, which should be at least one period for the signal component with a minimum frequency.

Если сдвиг по времени, по которому вычисляется вейвлет-преобразование, принять равным шагу оцифровки входного сигнала Δt, то тогда b_k=kΔt. В этом случае, учитывая, что t_i=iΔt, в уравнении (2) аргумент функции ω можно преобразовать, и мы получим:If the time shift by which the wavelet transform is calculated is taken equal to the digitization step of the input signal Δt, then b _k = kΔt. In this case, given that t _i = iΔt, in equation (2), the argument of the function ω can be transformed, and we get:

$$\Psi \left(\frac{t_i-b_k}{a_j}\right)=\Psi \left[\frac{\left(i-k\right)\Delta t}{a_j}\right].$$

$$\Psi \left(\frac{t_i-b_k}{a_j}\right)=\Psi \left[\frac{\left(i-k\right)\Delta t}{a_j}\right].$$

$$\left(4\right)$$

$$\left(\mathrm{four}\right)$$

Введем обозначения для коэффициентов:We introduce the notation for the coefficients:

$$P_{i,j,k}=\frac{\Delta t}{\sqrt{a_j}}\Psi \left(\frac{(i-k)\Delta t}{a_j}\right).$$

$$P_{i,j,k}=\frac{\Delta t}{\sqrt{a_j}}\Psi \left(\frac{(i-k)\Delta t}{a_j}\right).$$

$$\left(5\right)$$

$$\left(5\right)$$

Коэффициенты P_i,j,k не зависят от входного сигнала, поэтому их можно рассчитать заранее для всего диапазона индексов i, j, k. Для этого только необходимо выбрать вид функции Ψ (вейвлета) и иметь достаточный объем памяти для хранения этих коэффициентов, что в настоящее время не является проблемой. Например, если взять выборку из N=2000 отсчетов и М=600 масштабов (как в прототипе), то объем требуемой памяти для хранения массива 32-разрядных коэффициентов P_i,j,k составит около 8 Гбайт.The coefficients P _{i, j, k} are independent of the input signal, so they can be calculated in advance for the entire range of indices i, j, k. To do this, it is only necessary to choose the type of function Ψ (wavelet) and have enough memory to store these coefficients, which is currently not a problem. For example, if you take a sample of N = 2000 samples and M = 600 scales (as in the prototype), then the amount of memory required to store an array of 32-bit coefficients P _{i, j, k} will be about 8 GB.

Таким образом, уравнение (2) можно записать в виде:Thus, equation (2) can be written as:

$$W\left(a_j,b_k\right)={\displaystyle \sum _{i=0}^{N}S\left(i\Delta t\right)}{P}_{i,j,k}$$

$$W\left(a_j,b_k\right)={\displaystyle \sum _{i=0}^{N}S\left(i\Delta t\right)}{P}_{i,j,k}$$

$$\left(6\right)$$

$$\left(6\right)$$

или в виде рекуррентной формулы:or in the form of a recurrence formula:

$$W_{i+1}\left(a_j,b_k\right)=W_i\left(a_j,b_k^{}\right)+S\left(i\Delta t\right)\cdot P_{i,j,k}$$

, $$\left(7\right)$$

$$W_{i+\mathrm{one}}\left(a_j,b_k\right)=W_i\left(a_j,b_k^{}\right)+S\left(i\Delta t\right)\cdot P_{i,j,k}$$

, $$\left(7\right)$$

$$W_0\left(a_j,b_k\right)=0$$

. $$\left(8\right)$$

$$$$

$$W_0\left(a_j,b_k\right)=0$$

. $$\left(8\right)$$

$$$$

Таким образом, выведенные расчетные формулы (5)-(8) для вычисления непрерывного вейвлет-преобразования входного сигнала, оцифрованного с равномерным шагом, значительно проще использованных в прототипе формул.Thus, the derived calculation formulas (5) - (8) for calculating the continuous wavelet transform of the input signal digitized with a uniform step are much simpler than the formulas used in the prototype.

Далее, так же, как и в прототипе, по найденному вейвлет-преобразованию W_i(a_j,b_k) вычисляется его квадрат модуля, выполняется осреднение по времени, производится сравнение полученного интегрального вейвлет-спектра с порогом (выбираемым в зависимости от требуемой вероятности ложной тревоги) и принимается решение об обнаружении сигнала в случае превышения порога по одному из М заданных масштабов (RU 2367970 С2, МПК G01S 3/80 (2006.01), опубл. 20.09.2009, с.16, стр.6-20).Further, just as in the prototype, according to the found wavelet transform W _i (a _j , b _k ), its square of the module is calculated, time averaging is performed, the obtained integral wavelet spectrum is compared with a threshold (selected depending on the required probability false alarm) and a decision is made to detect a signal if the threshold is exceeded for one of the M specified scales (RU 2367970 C2, IPC G01S 3/80 (2006.01), publ. 09/20/2009, p.16, p.6-20).

Интегральный вейвлет-спектр в общем случае определяется по формуле:The integral wavelet spectrum in the general case is determined by the formula:

$$W^{*}\left(a\right)=\frac{1}{B}{\displaystyle \underset{0}{\overset{B}{\int }}{\left|W\left(a,b\right)\right|}^{2}db},$$

$$W^{*}\left(a\right)=\frac{\mathrm{one}}{B}{\displaystyle \underset{0}{\overset{B}{\int }}{|\; |\; |W\left(a,b\right)|\; |\; |}^{2}db},$$

или для обработки дискретных сигналов:or for processing discrete signals:

$$W^{*}\left(a_j\right)=\frac{1}{N}{{\displaystyle \sum _{k=1}^N\left|W\left(a_j,b_k\right)\right|}}^2.$$

$$W^{*}\left(a_j\right)=\frac{\mathrm{one}}{N}{{\displaystyle \sum _{k=\mathrm{one}}^N|\; |\; |W\left(a_j,b_k\right)|\; |\; |}}^2.$$

$$\left(9\right)$$

$$\left(9\right)$$

Предлагаемая рекуррентная формула (7) позволяет реализовать устройство таким образом, чтобы, сохраняя текущее значение W_i(a_j,b_k), при поступлении нового отсчета входного сигнала не пересчитывать все вейвлет-преобразование, а только добавлять к текущему значению второе слагаемое формулы (7). Поэтому меньшие аппаратные затраты на блоки для вычисления вейвлет-преобразования (при сохранении затрат на остальные блоки для обеспечения функциональности устройства) позволят снизить аппаратные затраты на реализацию всего устройства обнаружения узкополосных шумовых гидроакустических сигналов на основе непрерывного вейвлет-преобразования.The proposed recurrence formula (7) makes it possible to implement the device in such a way that, while retaining the current value of W _i (a _j , b _k ), when a new sample of the input signal arrives, it does not recalculate the entire wavelet transform, but only add the second term of the formula to the current value ( 7). Therefore, lower hardware costs for blocks for calculating the wavelet transform (while maintaining the cost of the remaining blocks to ensure the functionality of the device) will reduce hardware costs for the implementation of the entire device for detecting narrow-band noise hydroacoustic signals based on continuous wavelet transform.

Выведенные расчетные формулы проверялись на вейвлете Морле (как в прототипе). В качестве входного сигнала использовалась масштабно-частотная модель звукоряда на фоне аддитивной помехи (как в прототипе). Результаты вычисления непрерывного вейвлет-преобразования по предлагаемым расчетным формулам и по формулам, указанным в прототипе, практически совпадали.The derived calculation formulas were checked on the Morlet wavelet (as in the prototype). As the input signal, a scale-frequency model of the scale was used against the background of additive noise (as in the prototype). The calculation results of the continuous wavelet transform according to the proposed calculation formulas and according to the formulas specified in the prototype, practically coincided.

Таким образом, достигается технический результат, который заключается в снижении аппаратных затрат на реализацию устройства обнаружения узкополосных шумовых гидроакустических сигналов на основе непрерывного вейвлет-преобразования.Thus, a technical result is achieved, which consists in reducing hardware costs for the implementation of a device for detecting narrow-band noise hydroacoustic signals based on continuous wavelet transform.

На фиг.1 представлена схема устройства обнаружения узкополосных шумовых гидроакустических сигналов на основе непрерывного вейвлет-преобразования.Figure 1 presents a diagram of a device for detecting narrowband noise hydroacoustic signals based on continuous wavelet transform.

Устройство обнаружения узкополосных шумовых гидроакустических сигналов на основе непрерывного вейвлет-преобразования содержит аналого-цифровой преобразователь 1 (АЦП), рециркулятор 2 (Р), умножитель 3 (У), постоянное запоминающее устройство 4 (ПЗУ), сумматор 5 (С), оперативное запоминающее устройство 6 (ОЗУ), блок осреднения квадратов модулей 7 (БОКМ), пороговое устройство 8 (ПУ), управляющее устройство 9 (УУ).A device for detecting narrow-band noise hydroacoustic signals based on a continuous wavelet transform contains an analog-to-digital converter 1 (ADC), a recirculator 2 (P), a multiplier 3 (Y), read-only memory 4 (ROM), an adder 5 (C), random access memory device 6 (RAM), averaging unit of squares of modules 7 (BOKM), threshold device 8 (PU), control device 9 (UE).

Входом устройства является вход аналого-цифрового преобразователя 1 (АЦП), выход которого соединен с входом рециркулятора 2 (Р), выход которого связан с первым входом умножителя 3 (У), второй вход которого подключен к выходу постоянного запоминающего устройства 4 (ПЗУ). Выход умножителя 3 (У) соединен с первым входом сумматора 5 (С), второй вход которого связан с выходом оперативного запоминающего устройства 6 (ОЗУ), вход которого подключен к выходу сумматора 5 (С). Выходом устройства является выход порогового устройства 8 (ПУ), вход которого соединен с выходом блока осреднения квадратов модулей 7 (БОКМ), вход которого связан с выходом сумматора 5 (С), при этом выходы управляющего устройства 9 (УУ) подключены к управляющим входам аналого-цифрового преобразователя 1 (АЦП), рециркулятора 2 (Р), умножителя 3 (У), постоянного запоминающего устройства 4 (ПЗУ), сумматора 5 (С), оперативного запоминающего устройства 6 (ОЗУ), блока осреднения квадратов модулей 7 (БОКМ) и порогового устройства 8 (ПУ).The input of the device is the input of the analog-to-digital converter 1 (ADC), the output of which is connected to the input of the recirculator 2 (P), the output of which is connected to the first input of the multiplier 3 (Y), the second input of which is connected to the output of the read-only memory 4 (ROM). The output of the multiplier 3 (Y) is connected to the first input of the adder 5 (C), the second input of which is connected to the output of random access memory 6 (RAM), the input of which is connected to the output of the adder 5 (C). The output of the device is the output of the threshold device 8 (PU), the input of which is connected to the output of the block averaging unit 7 (BOKM), the input of which is connected to the output of the adder 5 (C), while the outputs of the control device 9 (UE) are connected to the control inputs of the analog -digital converter 1 (ADC), recirculator 2 (P), multiplier 3 (Y), read-only memory 4 (ROM), adder 5 (C), random access memory 6 (RAM), unit square averaging unit 7 (BOKM) and threshold device 8 (PU).

Перечисленные элементы устройства могут быть реализованы на базе цифровых интегральных микросхем, например, серии К500-К531 (Нефедов А.В. Интегральные микросхемы и их зарубежные аналоги. Справочник. Т4, 2001), а также на базе ПЛИС или полузаказных БИС на основе БМК, выпускаемых, например, Российскими фирмами «Ангстрем» (), «Модуль» (www.module.ru) или целым рядом зарубежных фирм. Оперативное запоминающее устройство 6 (ОЗУ) может быть выполнено на сдвиговых регистрах. Аналого-цифровой преобразователь 1 (АЦП) и управляющее устройство 9 (УУ) могут быть реализованы на любых микросхемах, имеющих электрическое и логическое сопряжение с элементами, выбранными для реализации вычислительной части устройства.The listed elements of the device can be implemented on the basis of digital integrated circuits, for example, the K500-K531 series (Nefedov A.V. Integrated circuits and their foreign analogues. Handbook. T4, 2001), as well as on the basis of FPGAs or semi-ordered LSIs based on BMK, produced, for example, by Russian firms Angstrom (), Module (www.module.ru) or a number of foreign firms. Random access memory 6 (RAM) can be performed on shift registers. An analog-to-digital converter 1 (ADC) and control device 9 (UE) can be implemented on any microcircuits that have electrical and logical interfaces with elements selected for the implementation of the computing part of the device.

Устройство обнаружения узкополосных шумовых гидроакустических сигналов на основе непрерывного вейвлет-преобразования работает следующим образом.A device for detecting narrowband noise hydroacoustic signals based on a continuous wavelet transform works as follows.

На предварительном этапе рассчитывают вейвлет-коэффициенты Р_i,j,k по формуле (5) и результаты заносят в постоянное запоминающее устройство 4 (ПЗУ). Количество этих коэффициентов определяют заранее по количеству отсчетов входного сигнала (N) в одном цикле обнаружения узкополосных шумовых сигналов, количеству сдвигов по времени (не более N) и количеству масштабов по времени (М), которое должно соответствовать количеству отдельных дискретных составляющих или их звукорядов в спектральной плотности мощности входного сигнала.At the preliminary stage, the wavelet coefficients P _{i, j, k are} calculated by the formula (5) and the results are recorded in read-only memory 4 (ROM). The number of these coefficients is determined in advance by the number of samples of the input signal (N) in one detection cycle of narrow-band noise signals, the number of time shifts (no more than N) and the number of time scales (M), which should correspond to the number of individual discrete components or their scale in spectral power density of the input signal.

На основном этапе обнаружения полезного сигнала на вход аналого-цифрового преобразователя 1 (АЦП)) поступает гидроакустический сигнал S(t), содержащий широкополосный шум с непрерывным спектром (помеха) и возможный узкополосный шум с дискретным спектром, состоящий из синусоидальных составляющих на отдельных частотах (полезный сигнал), которые необходимо обнаружить.At the main stage of detecting a useful signal, the hydroacoustic signal S (t) containing a wide-band noise with a continuous spectrum (interference) and a possible narrow-band noise with a discrete spectrum, consisting of sinusoidal components at separate frequencies () is received at the input of the analog-to-digital converter 1 (ADC)) useful signal) to be detected.

На выходе аналого-цифрового преобразователя 1 (АЦП) с равномерным шагом по времени Δt, определенным по частоте дискретизации ƒ_d, удовлетворяющей требованию теоремы Котельникова (3), формируется последовательность оцифрованных отсчетов входного сигнала S(iΔt). Текущий i-й отсчет поступает на вход рециркулятора 2 (Р), с выхода которого генерируется последовательность аналогичных по значению сигналов высокой частоты размером N×M, которая поступает на первый вход умножителя 3 (У).At the output of the analog-to-digital converter 1 (ADC) with a uniform time step Δt determined by the sampling frequency ƒ _d satisfying the requirement of Kotelnikov's theorem (3), a sequence of digitized samples of the input signal S (iΔt) is formed. The current i-th sample is fed to the input of the recirculator 2 (P), from the output of which a sequence of high-frequency signals of the same size N × M of the same value is generated, which goes to the first input of the multiplier 3 (Y).

Синхронно с этой последовательностью с выхода постоянного запоминающего устройства 4 (ПЗУ) на второй вход умножителя 3 (У) подаются значения коэффициентов P_i,j,k. При этом управляющее устройство 9 (УУ) изменяет значение индексов: k от 1 до N, при каждом фиксированном k значение индекса j изменяет от 1 до М, а значение индекса i сохраняет постоянным. На время обработки этой последовательности управляющее устройство 9 (УУ) блокирует поступление новых отсчетов входного сигнала.Synchronously with this sequence from the output of read-only memory 4 (ROM) to the second input of the multiplier 3 (Y) are fed the values of the coefficients P _{i, j, k} . In this case, the control device 9 (UE) changes the value of the indices: k from 1 to N, for each fixed k, the value of the index j changes from 1 to M, and the value of the index i remains constant. During processing of this sequence, the control device 9 (UE) blocks the receipt of new samples of the input signal.

С выхода умножителя 3 (У) последовательность значений S(iΔt)P_i,j,k подается на первый вход сумматора 5 (С), на второй вход которого с выхода оперативного запоминающего устройства 6 (ОЗУ) подается аналогичная по размеру и индексам j и к последовательность значений W_i(a_j,b_k), вычисленных на предыдущих шагах по времени от 0 до i-1.From the output of the multiplier 3 (Y), the sequence of values of S (iΔt) P _{i, j, k} is fed to the first input of the adder 5 (C), the second input of which from the output of the random access memory 6 (RAM) is supplied with the same size and indices j and to the sequence of values of W _i (a _j , b _k ) calculated at the previous time steps from 0 to i-1.

С выхода сумматора 5 (С) последовательность значений W_i(a_j,b_k)+S(iΔt)P_i,j,k записывается в оперативное запоминающее устройство 6 (ОЗУ), заменяя хранившиеся там до этого значения, и одновременно подается на вход блока осреднения квадратов модулей 7 (БОКМ). В этом блоке вычисляются квадраты модулей значений поступающей последовательности, которые осредняются по формуле (9).From the output of the adder 5 (C), the sequence of values of W _i (a _j , b _k ) + S (iΔt) P _{i, j, k is} written to the random access memory 6 (RAM), replacing the values stored there before, and simultaneously fed to the input of the block averaging squares of modules 7 (BOKM). In this block, the squares of the absolute values of the incoming sequence are calculated, which are averaged by formula (9).

С выхода блока осреднения квадратов модулей 7 (БОКМ) последовательность осредненных значений размером М подается на вход порогового устройства 8 (ПУ). На выходе порогового устройства 8 (ПУ) появляется сигнал, если хотя бы одно из поступивших на вход значений превышает установленный порог, что означает обнаружение полезного сигнала.From the output of the averaging block of squares of modules 7 (BOKM), the sequence of averaged values of size M is fed to the input of the threshold device 8 (PU). At the output of the threshold device 8 (PU), a signal appears if at least one of the values received at the input exceeds the set threshold, which means the detection of a useful signal.

По окончанию поступления последовательности значений на вход порогового устройства 8 (ПУ), управляющее устройство 9 (УУ) увеличивает значение индекса / на 1 и разрешает поступление на вход устройства следующего отсчета входного сигнала.At the end of the receipt of a sequence of values at the input of the threshold device 8 (PU), the control device 9 (SU) increases the value of the index / by 1 and allows the input of the device to the next reference signal.

Когда будет обработано N отсчетов входного сигнала, управляющее устройство 9 (УУ) заканчивает текущий цикл обнаружения полезного сигнала и начинает следующий цикл, устанавливая значения индекса i=0, значения индексов k=1 и j=1. Таким образом, процесс обнаружения узкополосных шумовых гидроакустических сигналов может продолжаться непрерывно. Управляющее устройство 9 (УУ) также обеспечивает синхронизацию работы всех блоков устройства.When N samples of the input signal are processed, the control unit 9 (UE) ends the current detection cycle of the useful signal and starts the next cycle, setting the values of the index i = 0, the values of the indices k = 1 and j = 1. Thus, the process of detecting narrow-band noise hydroacoustic signals can continue continuously. The control device 9 (UE) also provides synchronization of all units of the device.

Claims (1)

Устройство обнаружения узкополосных шумовых гидроакустических сигналов на основе непрерывного вейвлет-преобразования, содержащее аналого-цифровой преобразователь, вход которого является входом устройства, а выход соединен со входом рециркулятора, пороговое устройство, выход которого является выходом устройства, а вход подключен к выходу блока осреднения квадратов модулей, постоянное запоминающее устройство и управляющее устройство, выходы которого соединены с управляющими входами аналого-цифрового преобразователя, рециркулятора, постоянного запоминающего устройства, блока осреднения квадратов модулей и порогового устройства, отличающееся тем, что введены: умножитель, оперативное запоминающее устройство и сумматор, выход которого соединен со входом блока осреднения квадратов модулей и со входом оперативного запоминающего устройства, выход которого подключен ко второму входу сумматора, первый вход которого связан с выходом умножителя, первый вход которого соединен с выходом рециркулятора, а второй вход подключен к выходу постоянного запоминающего устройства, при этом управляющие входы умножителя, сумматора и оперативного запоминающего устройства соединены с выходами управляющего устройства. A device for detecting narrow-band noise hydroacoustic signals based on a continuous wavelet transform, containing an analog-to-digital converter, the input of which is the input of the device, and the output is connected to the input of the recirculator, the threshold device, the output of which is the output of the device, and the input is connected to the output of the unit square averaging unit , read-only memory and control device, the outputs of which are connected to the control inputs of an analog-to-digital converter, recirculator , a permanent storage device, an averaging unit of squares of modules and a threshold device, characterized in that the following are introduced: a multiplier, random access memory and an adder, the output of which is connected to the input of the averaging unit of the squares of the modules and to the input of the operational storage device, the output of which is connected to the second input of the adder the first input of which is connected to the output of the multiplier, the first input of which is connected to the output of the recirculator, and the second input is connected to the output of the permanent storage device while the control inputs of the multiplier, adder and random access memory are connected to the outputs of the control device.