Устройство для классификации шумов с произвольной спектральной плотностью

 

,Ь вЂ” 3

Ытт!

ОПИ НИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

1l!) 5957Ц

Со!оз Советских

Социалистических

Рвспубпик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТГЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 04.01.76 (21) 2311675/18-24 с присоединением заявки ¹ (23) Приоритет (43) Опубликовано 28.02.78. Бюллстснь ¹ 8 (45) Дата опубликования описания 22.03.78 (51) М. Кл G 06К 9/00

Государственный комитет

Совета Министров СССР по валам изобретений и открытий (53) УД К 681.335 (088.8 ) (72) Авторы изобретения

Г. М. Емельянов, А. Л. Гавриков и 3. Н. Заманов (71) Заявитель

Новгородский политехнический инсгитут (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ КЛАССИФИКАЦИИ ЫУМОВ

С ПРОИЗВОЛЬНОЙ СПЕКТРАЛЬНОЙ ПЛОТНОСТЪЮ

20 оценки зтпх составляющих ч =! —,(. В,лт,!т I!I, о

Изобретение относится к вычислительным устройствам для распознавания и классификации данных.

Известны различные распознающие устройства для распознавания изображений, знаков, рукописных цифр (1, 2), содержащие линейные дискриминаторы, блоки управления и индикации.

Известные устройства относительно сложны.

Наиболее близким техническим решением к данному изобретению является устройство для классификации шумов с произвольной спектральной плотностью, содержащее линейные дискриминаторы, первые выходы которых соединены с соответствующими входами блока управления и индикации f3).

Недостатком прототипа является недостаточно высокая точность.

Целью изобретения является повышение точности работы устройства.

Поставленная цель достигается тем, что устройство содержит блок выделения признаков, вход которого является входом устройства, а выходы соединены со входами соответствующих линейных дискриминаторов, н блок перестройки структуры, два входа которого соединены с выходами блока управления и индикации, а группа входов и выходов подключены к соответствующим выходам и входам линейных дискриминаторов.

Такое устройство точнее прототипа.

На чертеже представлена функциональная схе»«", устройства. Устройство классификации шумов содержит блок выделения признаков

1, вход которого подключается к входу устройства, à выходы параллельно подкл!очаются к соответствующим входам линейных дискриминаторов 2. образующих однослойную сеть. Выходы дискриминаторов 2 подключают10 ся ко входам блока управления и индикации

3, выходы которого подключаются к выходному разъему. К блокам 2 и 3 подключастся блок перестройк.» структуры 4.

Структура блока гыделенпя признаков 1

15 реалгзует с заданной точностью математическую опсрацшо получения составляющих спектральной плотности мощности сигнала л (f) в частотных интервалах Af т,: lim lim x (t,Л!! di (Л! уо !,т- 2Т, я в. я!от я Оорд!!! а !ах!и Вектора

595751

Б,(ок выделения признаков 1 содержит: ком.)рсссор 5 для сжатия входного динампче:кого (папазона шумового сигнала x(t) и 22 канала получения оценок g(((=1, 2, „, N;, N==22) в /i октави).)х частотных интервалах

Л>51, Af2>,, Л/2 в полосе частот 40 †: 2500 гц.

Каждый канал имеет узкополосп)ый высскодобро Ilbi)I RC-фильтр 6, квадратичный детектор

7 и интегратор 8.

Блок перестройки структуры 4 Iio сигналам управления пз блока 3 организует работу 12 липсй ых дискриминаторов 2 в одном из режимов линейной или кусочно-линейной классификации.

Прп линейной классификации па два класса (Ri и R2) реализована дискримипантная функция вида:

JV 1

D (6 ) = « " ) (i-i где W(— весовые коэффициенты, 6 — расширенный (Л +1) -ой координатой вектор G, т. е.

1 1

/ /

О

10» Из ° ° ьР йУ. If °

Компонента д>+1 вырабатывается в вычисли тельном блоке 9 по выражению:

iV ) 1 --ч( М -! у (i =1

Решающее правило имеет вид:

0 (6 ) =+ о„х, = 1, если 6 Я R, D(G ) - — 0, х, =0 66) ), — 0&D (G ) + > — зона неопределенности, где СоС вЂ” порог срабатывания порогового элемента 10.

Г1ри линейной классификации на несколько классов использованы дискриминантныс функции для отделения смежных классов следун)щего вида:

iV-, 1

D(6 ) = ив,.о,, где () в,, — весовые коэффициенты i-i о прп знака, S-ой пары смежных классов;

S = 1, 2,... Q; Q =, «о, „,!2 =- Я (R — 1)/2

n=1

m=I с 0,Д,=1, если и--т

0 „,=О, и=т.

Решающее правило представляется совокуп ностью булевых функций: (F =R,(х„x2i..., xq)) .) где j= l, 2, ..., R — номер класса.

3 1а icliII5(Л>: I)o 1) >1310Т051 i!0 пРави,11 к.)ассового,(ипсйного к,тассI .ô))ê:) Toðë.

11рп кусочно линейной I;.)ассифика))пи пс пользуется вспомогательная дискриминантная

5 (р пкция вида: к М1. Л

О(к) (6,) (к)

i:=1 где 1(")-,(— весовые коэффициенты (-го клас(<) са и К-го подкласса.

Реша(ощее правило состоит I! отыскании максимальной

D, (6 ) = гпах,0, (6 )

1>

j =1,...,P

К=1,..., /,, R где l = 1, 2..... g l.,-;

R — число классов;

L — число подклассов внутри класса /.

Оно рсализуется блоком выбора максимума

11, работающего по принципу сравнения напряжения Ui) с выходов сумматоров 12 линейных дпскрими(аторов 2. Прп этом сумматоры с меньшими выходными напряжениями выво;;5I I c5I в ре)кпм пасы(пения. Таким образом, решающее правило преобразуется к виду: — >

Di, (G )(UÄ, х(, — Х,„К, 1, если G Я классу /, и подклассу К„ (Di,. i, J = + Е„ U,„, xi: („= О, если — >

G Яклассу / —, - /, и подклассу К:- К„

i 10 In - — помер дискр:Iiviii)a iopa, напряжение на выходе которого оказалось максимальным;

4() U„,; — уровень срабатывания пороговогоэлсмспта 10 в режиме кусо ill()-линейной кл;)ссп11) икации.

->

Решение о принадле)кности вектора 6 к классу j0 и подклассу К0 принимается по ра45 венству (1) булевых функции

1 у, — У (Х)0 1, Х(0 2> ° ° °, Х о, /-io)

К функция номера класса и

К, — (Х), К,> Xg, К,> ° ° ° > ХР, К,)

t — функция номера подкласса.

Таким образом линейный дискриминатор 2 содержит сумматор 12 на 23 входа с весовыми потенциометрами (для умножения íà w(,) и пороговый элемент 10 для получения значения логической переменной х. Блок перестройки структуры 4 содержит блок выбора максимума 11 и блок пороговых потенциаг() лов 13.

Блок управления и индикации 3 содержит

ыльт управления 14, вырабатывающий потенциалы управления режимамп работы устройства; логический решающий блок 15, вырабаG5 тывающпй результат классификации в виде со595751

5 вокупностей сигналов {Е;) и (Ф,<); блок индикации 16, который обеспечивает как мпогоклассовую цифровую индикацию результата классификаций (>vzr=1, 2,, 5; Ж„».,=1, 2, 6), так и обобщенную двухклассовую индикацию путем разбиения совокупности (F;) на две (F;) i и (Р>), .блок выставления коэффициентов 17, представляющий собой трехдекадный делитель эталонного напряжения с цепями сравнения.

Набор перечисленных блоков в соответствии с приведенными алгоритмами реализует 9 ре>кимов работы устройства классификации:

1. рсжим линейной классификации EI;1 2 класса;

2. то же на 3 класса (Я=З);

3. то же на 4 класса (Я=6);

4. то же на 5 классов (Q=10);

5. режим кусочно-линейной классификации на 2 класса (R=2)» 6 подклассов (Li Lz

=6);

6. то же на 3 класса (R=Ç) и 4 подкласса (L =L =L =4);

7. то же на 4 класса (R=4) и 3 подкласса () = а= з= 4=3)1

8. режим выставления весовых коэффициентов и установки «нуля» суммирующих усилителей линейных дискриминаторов;

9. режим измерения спектральных компонентов с целью последующего преобразования

»х на АЦП и ввода ЦВМ, Устройство может быть использовано в функциях классификации любых объектов, описываемых набором медленно меняющихся напряжений с амплитудой 0 —:1 вольт, поступающих по входным шинам, общим количеством не более 22. При этом не используется блок 1. — ) . Весовые векторы Р з для всех режимов классификации получаются в процессе обучения на универсальной ЦВМ по известным алгоритмам на основании статистики, характеризующей об ьскты, подлежащие классификации.

Устройство работает следующим образом.

Исследуемый шумовой сигнал поступает на вход блока выделения признаков 1. Динамический диапазон входного сигнала предварительно сжимается до 3 дб с помощью компрессора 5. Затем шумовой сигнал разветвляется на 22 канала, где после обработки (путем фильтрации, квадратичного детектирования и интегрирования в каждом из каналов) формируется многомерный вектор, состоящий из 22-х непрерывных компонент. Напряжение положительной полярности с выхода каждого канала является медленно-изменяющимся случайным процессом. После формирования пороговой

23-й компоненты (суммирование напряжений всех 22-v компонент) в блоке 9 расширенный непрерывный вектор спектральной плотности мощности входного сигнала по 23-м каналам поступает па входы линейных дискриминаторов 2.

При организации различных режимов клас5

1О

65 с-.; 1 и»;.. ии шсло линейных дискримпнаторог мо .с выбира;-ься от 1 до 12. Сеть " èïåéiiû. . дискриминаторов представлена вгябором сменных плат, аналогичных по структуре. Необходимые линейные дискриминаторы 2 настраиваются в соответствии с полученными прн обучении весовыми коэффициентами, которые выставляются с помощью точных ротснциомлров на каждом входе сумматора 12. Напряжение U с выходов сумматоров линейныx дискриминаторов поступает на пороговые элементы 10. В зависимости от того, линейныс илн кусочно-линейные режимы классификации используются, блок пороговых потенциалов 13 вырабатывает два эталонных напряжения сравнения, соответственно 0 и +5 вольт. Выходные напряжения U. с выходов пороговых элементов линейных дискриминаторов 2 с амплитудой — 8 вольт (сигнал логической «I») и +10 вольт (сигнал логического «О») поступает в блок индикации и управления 3. После преобразования в систему электрических напряжений логических микросхем (+5 вольт— сигнал логической «1» и 0 вольт — сигнал логического «О») напряжения, соответствующие логическим переменным jxi, х..... x») подвергаются логическому анализу в логическом блоке 15 " целью выработки потенциалов номеров класса и подкласса, к которым относятся шумовой сигнал, действующий на входе устройлна в данньш момент работы классификатора происходит непрерывное определение номеров класса и подкласса. Отображение результатов классификации в блоке индикации 16 производится также непрерывно, в соответствии с потенциалами номеров класса и подклассов, выработанных в логическом блоке 15. В пульте управления 14 с помощью набора клавишных переключателей вырабатываются управляющие потенциалы для организации одного нз режимов работы классификатора.

При выработке одного из потенциалов кусочно-линейного режима классификацип блоком 11 организуется блок выбора максимального напряжения с выходов сумматоров линейных дискриминаторов. В этом случае все выходы сумматоров подключаются через диоды к общей точке, к которой также подключаются все сопротивления обратной связи операционных усилителей сумматоров (ii;i чертеже не показаны). Таким образом осуществляется автоматическая коммутация цепей ООС усилителей, посредством чего все усилители кроме одного, имеющего максимальное алгебраическое значение выходного напряжения, выводятся в режиме положительного насыщения (т. е. U „„—.+1О В). Одновременно пороговые элементы 10 вырабатывают соответствующие логические потенциалы путем сравнения выходных напряжений сумматоров с пороговым потенциалом U» — — +5 вольт.

Все элементы индикации вынесены на пульт управления.

595751

Составитель И. Шелипова

Текред Л. Гладкова

Корректоры: Е. Мохова и Л. Денискина

Редактор P. Киселева

Заказ 114(16 Изд. № 286 Тираж 841 Подписное

НПО Государственного комитета Совета MHHHcTD08 СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, )К-35, Раушская наб., д. 425

Типография, пр. Сапунова, 2

Потенциалы всех режимов работы, а также потенциалы параллельного двоичного кода номеров классов и подклассов выведены на выходной разъем и могут быть использованы устройством автоматической регистрации результатов классификации без присутствия оператора.

1(онструктпвно устройство выполнено в виде

4 автономных блоков: два блока выделения признаков 1 (по 11 измерительных каналов в каждом), блок 2, соединяющий набор линейных дискриминаторов 2 и блоки 11, 13 и блок управления и индикации 3, содержащий блоки

14, 15, 16 и 17. В качестве цифровых индикаторов использованы светодиодные индикаторы в микросхемном исполнении. Габариты устройства ЗЗОХ270Х420, вес не более 8 кг, потребляемая мощность не более 20 ва.

Устройство позволяет успешно решать задачи классификации шумов, различных по природе происхождения. Испытания, проведенные с одним известным классом шумовых сигналов, показали, что вероятность правильной классификации может достигать зна .ений

0,8 — 0,9.

Устройство позволяет решать задачи классификации, возникающие в технической и медицинской диагностике, гидроакустике, в распознавании букв и знаков.

Формула изобретения

5 Устройство для классификации шумов с произвольной спектральной плотностью, содержащее линейные дискриминаторы, первые выходы которых соединены с соответствующими входами блока управления и индикации, о т10 л и ч а ю шее с я тем, что, с целью повышения точности работы устройства, оно содержит блок выделения признаков, вход которого является входом устройства, а выходы соединены со входами соответствующих линейных

Гб дискриминаторов, и блок перестройки структуры, два входа которого соединены с выходами блока управления и индикации, а группа входов и выходов подключена к соответствующим выходам и входам линейных дискрими20 наторов.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР № 389671, кл. G 06K 9/00, 1973.

2. Авторское свидетельство СССР №431524 кл, G 06K 9/00, 1974.

3. Авторское свидетельство СССР №371596 кл. G 06К 9/00, 1973.