Прикладная теория синтеза систем обработки информации на базе ортогональных вейвлет-фильтров - Автореферат

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук Прикладная теория синтеза систем обработки информации на базе ортогональных вейвлет-фильтров С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Межрегионального общественного учреждения «Институт инженерной физики» Отзывы на автореферат в двух экземплярах просьба направлять по адресу совета: 142210, Россия, Московская обл., г.Развитие науки и техники предъявляет все более жесткие требования к фильтрам, от которых требуется: локализация особенностей нестационарных сигналов во временной области, отсутствие эффекта Гиббса; нечувствительность к сдвигу ноль-линии; высокое подавление вне полосы пропускания; высокая линейность амплитудной и фазовой характеристики в полосе пропускания; идентичность спектров ортогональных фильтров для качественного восстановления аналитического сигнала. Разработан интегральный метод обработки потоков информации, отличающийся применением ортогональных вейвлет-фильтров, позволяющий определять мгновенные значения амплитуды, фазы и частоты периодических сигналов в системах реального времени. Разработанный класс ортогональных вейвлет-фильтров за счет применения расчетно-аналитических выражений, связывающих границы интегрирования модифицированной вейвлет-функции Морле с ее полосой пропускания и добротностью, с учетом эффектов квантования и дискретизации в отличие от традиционных фильтров обладает: - нечувствительностью к эффекту Гиббса; При этом теоретической значимостью является: - создание теории синтеза ортогональных вейвлет-фильтров с новыми свойствами на основе модифицированной вейвлет-функции Морле, обеспечивающих требуемое качество обработки информации при заданном отношении сигнал/шум, с учетом частотно-временных особенностей сигнала; Синтезировать системы реального времени для обработки одномерных цифровых потоков информации, которые, в отличие от существующих систем, имеют на выходе сразу мгновенные значения амплитуды, фазы и частоты, что существенно упрощает построение систем анализа, оптимизации, управления, принятия решений, использующих в своей работе одномерные потоки информации.Вейвлет-преобразование функцией Морле можно использовать для восстановления аналитического сигнала в некотором диапазоне частот, т.к. ее реальная и мнимая составляющие имеют идентичные спектры, и она удаляет из сигнала постоянную составляющую. Классический вид вейвлет-функции Морле: и вейвлет-преобразования: , но это представление не обеспечивает равенство нулю интеграла от реальной части-функции: , Интеграл мнимой (синусной) части для симметричных пределов всегда равен нулю, вследствие нечетности функции. Поэтому для изложения материала использовано модифицированное вейвлет-преобразование функцией Морле: , при этом Свойства целочисленной модифицированной вейвлет-функции Морле задаются: границами интегрирования, коэффициентом затухания k и разрядностью n. 3 приведен график, на котором на эмпирическую зависимость добротности от границ интегрирования наложена зависимость добротности от границ интегрирования, обеспечивающих оптимальное заполнение окна интегрирования вычисленных для разной разрядности вейвлет-функции. 6 приведена зависимость погрешности определения амплитуды от границ интегрирования модифицированной вейвлет-функции Морле, на нем видно, что для границ интегрирования не принципиально какое количество точек выборки на период следования сигнала используется для анализа, а при количестве точек на период сигнала N > 3 различия вообще практически отсутствуют.

Основное содержание работы

1. Создана теория синтеза ортогональных вейвлет-фильтров на основе модифицированной вейвлет-функции Морле.

2. Разработан интегральный метод обработки потоков информации, отличающийся применением ортогональных вейвлет-фильтров, позволяющий определять мгновенные значения амплитуды, фазы и частоты периодических сигналов в системах реального времени.

3. Созданы теоретические основы методов синтеза с учетом эффектов квантования и дискретизации коэффициентов целочисленных ортогональных цифровых вейвлет-фильтров, которые позволяют восстанавливать аналитический сигнал в требуемом диапазоне частот.

4. Созданы классы ортогональных функций имеющих высокую степень разрешения по частоте для построения цифровых систем обработки информации в широком диапазоне частот.

5. Создано математическое обеспечение и высокопроизводительные алгоритмы формального построения целочисленной модифицированной вейвлет-функции Морле и целочисленных ортогональных полосовых вейвлет-фильтров.

6. Разработаны базовые структуры цифровых устройств, использующих метод непосредственного восстановления векторных диаграмм с помощью ортогональных фильтров.

Таким образом, поставленные в данной диссертационной работе задачи решены, цель работы достигнута.

В приложении приведены акты, подтверждающие практическое использование результатов исследований.

Основные публикации по теме диссертации

Публикации в изданиях по перечню ВАК

1. Потехин Д.С. Экспресс-анализ качества жидкостей [Текст] / Д.С. Потехин, Е.П. Тетерин, И.Е. Тарасов, А.В. Волгин // Химическое и нефтегазовое машиностроение. - 1999. - № 3. - С. 21-22 (л. вкл. 25 %).

2. Потехин Д.С. Неразрушающий контроль жидкостей различного назначения на основе акустических измерений [Текст] / Д.С. Потехин, Е.П. Тетерин, И.Е. Тарасов // Контроль. Диагностика. - 2000. - №7. - С. 33-37 (л. вкл. 35 %).

3. Потехин Д.С. Оценка результатов многократных измерений с использованием функций распределения вероятности с переменным масштабом [Текст] / Д.С. Потехин, И.Е. Тарасов, Е.П. Тетерин // Научное приборостроение. - 2002. - №1. - Т.12. - С. 66-72; ISSN 0868-5886 (л. вкл. 30 %).

4. Потехин Д.С. Влияние коэффициентов и пределов интегрирования вейвлет-функции Морле на точность результатов анализа гармонических сигналов с нестационарными параметрами [Текст] / Д.С. Потехин, И.Е. Тарасов, Е.П. Тетерин // Научное приборостроение. - 2002. - №1. - Т. 12. - С. 90-95; ISSN 0868-5886 (л. вкл. 70 %).

5. Потехин Д.С. Влияние белого шума на точность определения амплитуды и фазы гармонических сигналов с использованием вейвлет-преобразования функцией Морле [Текст] / Д.С. Потехин // Системы управления и информационные технологии. - 2009. - №4.1(38). - С. 180-183.

6. Потехин Д.С. Методика расчета целочисленного цифрового селекторного нерекурсивного фильтра с заданными добротностью и уровнем подавления [Текст] / Д.С. Потехин, А.С. Карпенков, Ю.В. Гришанович, Е.П. Тетерин // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. - 2009. - №6 (1). - С. 79-85 (л. вкл. 40 %).

7. Потехин Д.С. Проблемно-ориентированный подход к разработке мультипроцессорных устройств класса «Система на кристалле» с применением ПЛИС [Текст] / Д.С. Потехин, И.Е. Тарасов, Е.П. Тетерин // Проектирование и технология электронных средств. - 2002. - №3. - С. 39-43 (л. вкл. 40 %).

8. Потехин Д.С. Архитектура с сокращенным набором транспортов и ее применение для создания Форт-процессора на базе программируемых логических интегральных схем [Текст] / Д.С. Потехин, И.Е. Тарасов, Е.П. Тетерин // Проектирование и технология электронных средств. - 2004. - №1. - С. 65-70 (л. вкл. 30 %).

9. Потехин Д.С. Метод построения полосового фильтра с использованием вейвлет-функции Морле. [Текст] / Д.С. Потехин // Системы управления и информационные технологии. - 2010. - 1(39), - с. 80-84.

10. Потехин Д.С. Метод цифровой обработки сигнала доплеровского сдвига частоты лазерного измерителя скорости [Текст] / Д.С.Потехин // Системы управления и информационные технологии. - 2010. - №2(40) - С. 64-67.

11. Потехин Д.С. Автоматизированный поиск коэффициентов вейвлет-функции Морле при проектировании систем реального времени [Текст] / Д.С.Потехин // Проектирование и технология электронных средств. - 2009. - 2. - С. 71-74.

12. Потехин Д.С. Построение цифрового приемника эталонных частот [Текст] / Д.С. Потехин, Ю.В. Гришанович // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. - 2011. - № 1. - С. 67-71 (л. вкл. 55 %).

13. Потехин Д.С. Интегральный метод восстановления векторной диаграммы в системах цифровой обработки данных [Текст] / Д.С. Потехин // Системы управления и информационные технологии. - 2011. -№2.1(44). - С. 161-164.

14. Потехин Д.С. Использование метода восстановления векторной диаграммы для цифрового измерителя тангенса угла диэлектрических потерь изоляции [Текст] / Д.С. Потехин // Системы управления и информационные технологии. - 2011. - №3(45). - С.86-90.

15. Потехин Д.С. Система долговременного мониторинга нагруженных конструкций на основе пьезорезонансного элемента / Д.С. Потехин, Н.А. Кузнецов // Датчики и системы - 2011. - № 9. - С. 34-37 (л. вкл. 50 %).

16. Потехин Д.С. Цифровой измеритель тангенса угла диэлектрических потерь изоляции высоковольтного оборудования / Д.С. Потехин, И.Е. Тарасов // Датчики и системы. - 2011. - № 8. - С. 38-41 (л. вкл. 50 %).

Монографии

17. Потехин Д.С. Разработка систем цифровой обработки сигналов на базе ПЛИС [Текст] / Д.С. Потехин, И.Е. Тарасов. - М.: Горячая линия - Телеком, 2007. - 248 с.: ил.

18. Потехин Д.С. Применение вейвлет-преобразования функцией Морле для цифровой обработки сигналов [Текст] / Д.С. Потехин. - Ковров: ГОУ ВПО «КГТА им. В.А. Дегтярева», 2010. - 112 с.

Патенты и свидетельства

19. Пат. 2174680 Российская Федерация, МПК7 G01N029/02. Ультразвуковое устройство для комплексного измерения физических параметров жидких сред [Текст] / Потехин Д.С.; заявитель и патентообладатель Д.С. Потехин, Е.П. Тетерин, И.Е. Тарасов. №99101141/28; заявл. 18.01.1999; опубл. 10.10.2001.

20. Пат. 2186398 Российская Федерация, МПК7 G01P003/50. Способ определения линейной скорости [Текст] / Потехин Д.С.; заявитель и патентообладатель Д.С. Потехин, И.Е. Тарасов, Е.П. Тетерин. №99116213128, заявл. 26.07.1999, опубл. 27.07.2002.

21. Пат. 2196973 Российская Федерация, МПК7 G01N9/12. Способ одновременного определения плотности и вязкости жидкостей [Текст] / Потехин Д.С.; заявитель и патентообладатель Д.С. Потехин, И.Е. Тарасов, Е.П. Тетерин. №2000113683/28, заявл. 26.05.2000, опубл. 20.01.2003.

22. Пат. 2196976 Российская Федерация, МПК7 G01N13/00, G01N11/10, G01N19/10. Способ определения плотности, вязкости и смазывающей способности жидких сред [Текст] / Потехин Д.С.; заявитель и патентообладатель Д.С. Потехин, И.Е. Тарасов, Е.П.Тетерин. №99109902/28, заявл. 05.05.1999, опубл. 20.01.2003.

23. Пат. 2216011 Российская Федерация, МПК7 G01N025/18. Способ комплексного определения теплофизических характеристик вещества [Текст] / Потехин Д.С.; заявитель и патентообладатель Д.С. Потехин, Е.П. Тетерин, И.Е. Тарасов, А.И. Лунин, И.Г. Метин.. №2001100748/28; заявл. 19.01.2001; опубл. 10.11.2003.

24. Пат. 2247357 Российская Федерация, МПК7 G01N009/10, G01N011/10. Способ одновременного измерения плотности и вязкости жидкости [Текст] / Потехин Д.С.; заявитель и патентообладатель Д.С. Потехин, Е.П. Тетерин, И.Е. Тарасов. №2003132716/28; заявл. 10.11.2003; опубл. 27.02.2005.

25. Пат. 2382358С2 Российская Федерация, МПК7 G01N29/00. Способ одновременного определения скорости продольных и сдвиговых акустических волн [Текст] / Потехин Д.С.; заявитель и патентообладатель Д.С. Потехин, Е.П. Тетерин, И.Е. Тарасов, Н.А. Кузнецов. №2006139542/28; заявл. 07.11.2006; опубл. 20.02.2010.

26. Пат. 2193760С2 Российская Федерация, МПК7 G01H5/00. Способ определения скорости ультразвука [Текст] / Потехин Д.С.; заявитель и патентообладатель Д.С. Потехин, Е.П. Тетерин, И.Е. Тарасов. №99115956/28; заявл. 21.07.1999; опубл. 27.12.2002.

Основные публикации в остальных изданиях

27. Потехин Д.С Применение вейвлет-анализа к обработке доплеровского сигнала [Текст] /Д.С. Потехин, Е.П. Тетерин, И.Е. Тарасов // Материалы научно-технической конференции «Управление в технических системах». - Ковров, 1998 - С. 74-75.

28. Потехин Д.С. Тезисы докладов 1 всероссийской научно-технической конференции «Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве», 3-4 февраля 1999г. [Текст] /Д.С. Потехин, Е.П. Тетерин, И.Е. Тарасов. - Н. Новгород, 1999 - Ч.4 - 9 с.

29. Потехин Д.С. Wavelet-обработка кардиограммы. «Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве» [Текст] / Д.С. Потехин, Д.Г. Мадорский, Н.А. Кузнецов // Тезисы докладов 2 Всероссийской научно-технической конференции. - Н. Новгород: НГТУ, 2000. - Ч. 10.

30. Потехин Д.С. Измерение ультразвуковых параметров жидкости и влияние газосодержания на их значения [Текст] /Д.С. Потехин, Е.П. Тетерин, И.Е. Тарасов // Тезисы докладов V Всероссийской научно-технической конференции, 15-16 июня 2000г. «Методы и средства измерений физических величин». - Н. Новгород, 2000. - Ч. I.

31. Потехин Д.С. Комплексное определение физических параметров жидких сред на основе ультразвуковых измерений. Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики [Текст] / Д.С. Потехин, Е.П. Тетерин, И.Е. Тарасов // Материалы международной науч.-практич. конф. В 10 ч. Новочеркасск: ЮРГТУ, 2000. - Ч. 2. - С.43-45.

32. Потехин Д.С. Влияние константы и пределов интегрирования вейвлет-функции Морле на точность определения параметров нестационарных периодических сигналов [Текст] / Д.С. Потехин, Е.П. Тетерин, И.Е. Тарасов // Информационные системы и технологии. ИСТ-2001: тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции [посвящ. 65-летию факультета ИСТ]. - НГТУ, 2001.

33. Потехин Д.С. Аппаратная реализация вейвлет-преобразования на основе программируемых логических интегральных схем для решения задач обработки акустического сигнала [Текст] / Д.С. Потехин, И.Е. Тарасов, Е.П. Тетерин // Информационные системы и технологии. ИСТ-2002. Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции. - Н. Новгород, 2002. - С. 9-10.

34. Потехин Д.С. Мультипроцессорная организация подсистем управления работой измерительного комплекса для исследования физических свойств жидких сред в широком интервале состояний [Текст] / Д.С. Потехин, И.Е. Тарасов, Е.П. Тетерин // Информационные системы и технологии. ИСТ-2002: тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции. - Н. Новгород, 2002. - С. 96-97.

35. Потехин Д.С. Лабораторный комплекс для изучения физических свойств жидкостей. «Современный физический практикум» [Текст] / Д.С. Потехин, И.Е. Тарасов, Е.П. Тетерин //Сборник тезисов докладов VII научно-методической конференции стран содружества / под ред. Н.В. Калачева и М.Б. Шапочкина, 28-30 мая 2002 г. - М.: Изд. дом Московского физ. общества, 2002.

36. Потехин Д.С. Проблемно-ориентированный подход к созданию информационно-измерительных систем [Текст] / Д.С. Потехин, И.Е. Тарасов, Е.П. Тетерин // Информационные технологии в проектировании, производстве и образовании: Сборник трудов Российской научно-технической конференции. - Ковров: КГТА, 2002.

37. Потехин Д.С. Проблемно-ориентированный подход к созданию информационно-измерительных систем [Текст] / Д.С. Потехин, И.Е. Тарасов, Е.П. Тетерин // Техника машиностроения. - 2002. - №3. - С. 37.

38. Потехин, Д.С. Аппаратное continuous вейвлет-преобразование в прецизионном анализаторе фазочастотных характеристик гармонических сигналов. Новые методологии проектирования изделий микроэлектроники [Текст] / Д.С. Потехин, И.Е. Тарасов.// Материалы международной научно-технической конференции, 19-20 декабря 2002 г. - Владимир, 2002.

39. Потехин Д.С. Использование ПЛИС при исследованиях распространения электромагнитных волн в неинерциальных системах отсчета. Новые методологии проектирования изделий микроэлектроники [Текст] / Д.С. Потехин, И.Е. Тарасов, Е.П. Тетерин, Н.А. Кузнецов // Материалы международной научно-технической конференции, 19-20 декабря 2002 г. - Владимир, 2002.

40. Потехин Д.С. Использование ПЛИС VIRTEX-2 для построения распределенных устройств вейвлет-анализа изображений. Новые методологии проектирования изделий микроэлектроники [Текст] / Д.С. Потехин // Материалы международной научно-технической конференции, 19-20 декабря 2002 г. - Владимир, 2002.

41. Потехин Д.С. О применении многомасштабного подхода к выбору оконной функции спектрального преобразования. Информационные технологии в науке, проектировании и производстве [Текст] / Д.С. Потехин, Ю.В. Пшеннова, Т.А. Бойнова // Материалы тринадцатой Всероссийской научно-технической конференции (Computer-Based Conference), Декабрь 2004 г. - Н. Новгород, 2004.

42. Потехин Д.С. Аппаратное детектирование сигналов методом вейвлет-анализа с применением ПЛИС. Новые методологии проектирования изделий микроэлектроники (New design methodologies) [Текст] / Д.С. Потехин, Ю.В. Пшеннова, Т.А. Бойнова // Материалы междунар. науч.-техн. конф., 10-11 декабря 2004 г. - Владимир: Владим. гос. ун-т, 2004. - С. 181-186.

43. Потехин Д.С. Интеллектуальные датчики для мониторинга высоковольтного оборудования [Текст] / Д.С. Потехин // Современные технологии в физическом эксперименте: Сб. науч. ст. - Ковров: ГОУ ВПО «КГТА им. В.А. Дегтярева», 2007. - С 80-84.

44. Потехин Д.С. Методика расчета коэффициентов цифрового дискретного вейвлет-фильтра [Текст] / Д.С. Потехин, А.С. Карпенков // Труды XIII научной конференции по радиофизике, [посвящ. 85-летию со дня рождения М.А. Миллера] / под ред. С.М. Грача, А.В. Якимова. - Н. Новгород: Изд-во «ТАЛАМ», 2009. - С.251-252.

45. Потехин Д.С. Метод определения порогового значения в протоколах последовательной передачи данных [Текст] / Д.С. Потехин, А.С. Карпенков // Современные технологии в физическом эксперименте: сб. науч. ст. - Ковров: ГОУ ВПО «КГТА им. В.А. Дегтярева», 2007. - С. 85-89.

46. Потехин Д.С. Некоторые аспекты цифровой обработки сигналов с применением алгоритмов линейных сверток [Текст] / Д.С. Потехин, А.С. Карпенков // Ежегодная XIX международная Интернет-ориентированная конференция молодых ученых и студентов по современным проблемам машиноведения МИКМУС-2007 : материалы междунар. науч.-техн. конф., 5-7 декабря 2007 г. - М.: ИМАШ им. Благонравова РАН, 2007.

47. Потехин Д.С. Некоторые аспекты цифровой обработки сигналов с применением алгоритмов линейных сверток [Текст] /Д.С. Потехин, А.С. Карпенков // XIX международная Интернет-ориентированная конференция молодых ученых и студентов по современным проблемам машиноведения МИКМУС-2007: избр. труды конф., 5-7 декабря 2007 г. - М.: ИМАШ им. Благонравова РАН, 2008. - С. 46 - 49.

48. Потехин, Д.С. SDR радио-модем с использованием технологии перепрограммируемых СНК и аппаратного вейвлет-фильтра [Текст] /Д.С. Потехин, А.С. Карпенков // Вооружение. Технология. Безопасность. Управление: материалы III научно-технической конференции аспирантов и молодых ученых. В 3 ч. Ч.2. - Ковров: ГОУ ВПО «КГТА имени В.А. Дегтярева», 2008.

49. Потехин Д.С. Вероятностный метод определения постоянного смещения и амплитуды гармонического сигнала. Информационные технологии моделирования и управления [Текст] / Д.С. Потехин, Ю.В. Гришанович. - М.: Изд-во «Научная книга», 2008. - С 1033-1039.

50. Потехин Д.С. Расчет коэффициентов высокодобротного цифрового вейвлет-фильтра с использованием ПЛИС. [Текст] / Д.С. Потехин, А.С. Карпенков // Вооружение. Технология. Безопасность. Управление: материалы IV межотраслевой конференции с международным участием аспирантов и молодых ученых. В 3 ч. Ч.2. - Ковров: ГОУ ВПО «КГТА имени В.А. Дегтярева», - 2009.

51. Потехин Д.С. Методика расчета коэффициентов цифрового дискретного вейвлет-фильтра [Текст] / А.С. Карпенков, Д.С. Потехин // Труды XIII научной конференции по радиофизике: [посвящ. 85-летию со дня рождения М.А. Миллера] / под ред. С.М. Грача, А.В. Якимова. - Н. Новгород: Изд-во «ТАЛАМ», - 2009. - С. 251 - 252.

Размещено на .ru