Przedmiotem wynalazku jest sposób klasyfikacji celów podwodnych na podstawie ich hydroa¬ kustycznych sygnalów ech.Znane sa sposoby klasyfikacji celów podwodnych przeprowadzane w oparciu badz o ocene subiektywna sygnalów ech badz o analize spektrogramów (Altes R.A.: „Detection, estimation and classification with spectrograms" J. Acoust. Soc. Am. 1980). Dokladnosc znanych sposobów (wg Denser L.M. i inni: On the classification of underwater acoustic signals" J. Acoustic Soc. Am. 1979) dla klasyfikacji np. obiektów biologicznych podwodnych jest niewielka.Celem wynalazku bylo zaprojektowanie sposobu klasyfikacji celów podwodnych na podsta¬ wie obwiedni ich hydroakustycznych sygnalów ech, umozliwiajacego klasyfikacje (rozpoznanie) obiektów podwodnych z duzym prawdopodobienstwem, w oparciu o wykorzystanie znanych zasad i znanych srodków technicznych jak echosondy, komputery.Cel ten realizuje sposób wedlug wynalazku, w którym do pamieci buforowej wejsciowego bloku receptorowego wprowadza sie kolejne próbki cyfrowe obwiedni sygnalów echa, otrzymana z analogowego sygnalu echa odebranego przez odbiornik standardowy echosondy. Sygnal echa uzyskuje sie w wyniku rozproszenia przez rozpoznawany obiekt impulsu sondujacego wygenero¬ wanego przez nadajnik tej echosondy wytworzonego w konwencjonalnym przetworniku analogowo-cyfrowym. Odstepy miedzy kolejnymi chwilami próbkowania analogowego sygnalu echa sa nie krótsze niz odwrotnosc podwojonego pasma przenoszenia odbiornika echosondy, zas ich liczba jest okreslona czasem otwarcia bramki. Czas ten zalezy od dlugosci impulsu sondujacego echosondy, wymiarów geometrycznych klasyfikowanego obiektu oraz jego aspektu. Tenostatni parametr nalezy traktowac jako wielkosc losowa. Zapamietujac w pamieci zbiory tak wyznaczo¬ nych cyfrowych próbek sygnalów ech uzyskiwanych od klasyfikowanego obiektu dla kolejnych impulsów sondujacych echosondy, liczbe realizacji kolejnych impulsów sondujacych dla klasyfiko¬ wanych grup celów hydroakustycznych ustala sie eksperymentalnie w czasie etapu nauki systemu, który poprzedza etap klasyfikacji i jest przeprowadzony na zbiorach znanych obiektów. Obiekty te sa przedstawicielami klas celów rozpoznawanych w czasie wlasciwej pracy systemu jako klasyfika-2 124 588 tor. Liczebnosc zbiorów obiektów jest okreslona jako minimalna liczba zapewniajaca poprawna prace systemu z przyjetym a priori prawdopodobienstwem.Próbki wyznaczone z wyjscia pamieci buforowej podaje sie na wejscie sumy, gdzie dodaje sie do siebie próbki otrzymane od rozpoznawanego obiektu. Czyni sie to dla kolejnych impulsów sondujacych echosondy dla jednakowych odcinków czasu od momentu nadania impulsu sonduja¬ cego, do momentu ich wyznaczenia. Kazda z wyznaczonych sum wartosci sygnalu ech dla tak okreslonych chwil czasu podaje sie z kolei z wyjscia ukladu sumujacego na wejscie ukladu dzielacego, gdzie dzieli sieje przez liczbe realizacji, a wiec przez liczbe skladników, z których zostaly utwor^pne te sumy. Otrzymane ilorazy podaje sie na wejscie ukladu róznicy, na którego drugie wejscie podaje sie z wyjscia pamieci buforowej kolejne wartosci próbek sygnalów ech otrzymanych dla kolejnych impulsów sondujacych. W ten sposób dla jednakowych chwil czasu od momentu nadania impulsu sondujacego do momentu wyznaczenia próbek wykonuje sie operacje odejmowa¬ nia, której wynik podnosi sie do kolejnych poteg. Rzad najwyzszej potegi, a wiec i liczebnosc zbioru liczb odpowiadajacym kolejnym potega wyznaczonych róznic, okresla sie eksperymentalnie w czasie etapu nauki systemu klasyfikacji, który poprzedza etap klasyfikacji ijest przeprowadzony na zbiorach znanych obiektów. Obiekty te sa przedstawicielami klas celów rozpoznawanych w czasie wlasciwej pracy systemu jako klasyfikator. Rzad najwyzszej potegi okresla sie jako minimalna liczbe zapewniajaca poprawna prace systemu z przyjetym a priori prawdopodobienstwem i okres¬ lona liczba realizacji impulsów sondujacych echosondy. Tym samym uzyskuje sie wartosci, które wprowadza sie z kolei do dodatkowej pamieci buforowej, gdzie przechowuje sie zbiór wartosci poteg róznic uprzednio wyznaczonych. Sygnaly z wyjscia tej dodatkowej pamieci buforowej sumuje sie, dodajac do siebie wartosci odpowiadajace jednakowym potega, zas uzyskane zbiory wartosci sum dzieli sie kazda przez ilosc impulsów sondujacych. Takuzyskane ilorazy sumuje sie i N wartosci kazdego D ilorazów, odpowiadajacych kolejnej potedze, dodaje sie do siebie. Wyzna¬ czone w ten sposób wartosci sum dzieli sie i kazda z nich wydziela sie przez ilosc skladników, z których zostaly wyznaczone, a wiec przez liczbe próbek N. Ilorazy te z kolei logarytmuje sie, uzyskujac skladowe wektora obserwacji, na podstawie których przeprowadza sie klasyfikacje obiektów.Takwiec sposób, wedlug wynalazku, oparty jest na znanej teorii klasyfikacji, tojest rozpozna¬ nia obrazów, przy uzyciu wektora obserwacji p = (pi,p2,...,pD), zbudowanego z Dcech dystynktyw- nych obwiedni hydroakustycznego sygnalu echa x(t) traktowanej jako proces losowy.Odbierany przez echosonde hydroakustyczny sygnal echa jest rezultatem skomplikowanych procesów fizycznych powstajacych w wyniku oddzialywania fali akustycznej z celem, oraz proce¬ sów zwiazanych z propagacja fal akustycznych w wodzie, Poniewaz procesy te zawieraja w sobie elementy losowe, klasyfikowany obiekt moze byc jedynie reprezentowany przez statystyke zbioru x(t) losowych sygnalów ech odbitych od niego.Tak wiec sposób, wedlug wynalazku, realizuje wyznaczony cel.Przedmiot wykonania wynalazku jest przedstawiony schematycznie na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat funkcjonalny procesu klasyfikacji, fig. 2 — wykres doswiadczalnie wyznaczonych wspólrzednych wektorów p, a fig. 3 — schemat bloku receptorowego.Schemat funkcjonalny procesu klasyfikacji celów hydroakustycznychjest nastepujacy. Sygnal od celu 1 jest doprowadzony do bloku receptorowego 2, z którego kierowanyjest kolejno do bloku selekcji 3 i bloku decyzyjnego 4 (fig. 1).Analogowy sygnal obwiedni echa hydroakustycznego x(t) jest wprowadzany do bloku recep¬ torowego 2 systemu klasyfikacji. Ukladem wejsciowym bloku 2jest przetwornikA/D (analogowo- cyfrowy), który zamienia analogowy sygnal x(t) na ciag próbek xi, X2,...xn, których wartosci reprezentuja proces x(t) w chwilach ti, t2...tN. Uzyskany ciag próbek bedziemy interpretowac jako wektor obserwacji x = xi,x2,...,xn. Minimalna liczba próbek Nmin, otrzymana przy próbkowaniu obwiedni sygnalu echa z czestotliwoscia Nyauista, wynosi Nmin=2 B T, gdzie Tjest czasem trwania sygnalu echa, a B jest pasmem czestotliwosci zajetym przez sygnal. Poniewaz Tjest jednoznacznie okreslone wielkoscia celu (np. gruboscia lawicy czy szerokoscia warstwy ryb pojedynczych), która mozna traktowacjako parametr losowy Nminjest równiez zmienna losowa. Dla typowych parame-124588 3 trów technicznych echosond Nmin osiaga duze wartosci, co wraz z jego zmiennoscia, praktycznie wyklucza mozliwosc zbudowania efektywnej metody klasyfikacji w oparciu o wektor obserwacji x.Wynalazek bazuje na znalezieniu D cech dystanktywnych obwiedni hydroakustycznych syg¬ nalów ech x(t), gdzie D«N i prawie nie zalezy od czasu T.które umozliwiaja oparcie procesu klasyfikacji obiektów na efektywnych metodach klasyfikacji.Na bazie znalezionych D cech dystynktywnych zbudowano wektor obserwacji.I^=(Pl» P2,-..»Pd) gdzie p Przykladowy wykres doswiadczalnie wyznaczonych wspólrzednych d,d = 1,2,...,D wektorów pt dla wybranych klas celów jest pokazany na rysunku (fig. 2), gdzie wspólrzedne srednich wektorów pi—i-tych klas celów 1= 1,2,...,L, usrednione w zbiorze j= 1,2,...,J wektorów 1 klas celów, sa oznaczone róznymi punktami. Znaczenie symboli przyjetych na fig. 2 jest nastepujace: a—lawice ostroboka, fi—warstwy rozpraszajace zwierzat morskich tych samych gatunków, 7—warstwy pojedynczych ryb tego samego gatunku. Odcinki pionowe oznaczaja rozrzut wartosci wspólrzednych wokól ich sredniej wspólrzednej pudla poszczególnychj celów danej 1 klasy celów.Decyzja o kwalifikacji celu do jednej z 1 = 1,2,...,L klas jest podejmowana w oparciu o dwa szeregowo polaczone bloki, tj. blok selekcji cech 3 i blok decyzyjny 4. Selekcja cech, która uwypukla te cechy wektora pt które sa wspólne dla wszystkich celów I-tej klasy i jednoczesnie uwypuklaja róznice miedzy klasami, jest przeprowadzona w bloku 3 operacja liniowej transforma¬ cji D wymiarowej przestrzeni obserwacji wektora]£ Optymalna liniowa transformacja przestrzeni polega na obrocie wspólrzednych pierwotnej przestrzeni obserwacji wektorami zmianie ich skali.Wlasciwa decyzja o klasyfikacji wektora jfjest podejmowana w bloku decyzyjnym 4 na podstawie porównan odleglosci Euklidesowych S(j?f u?) miedzy wektorem i? a usrednionymi wektorami klas o!, zamierzonymi w przetransponowanej przestrzeni obserwacji. Wektory Ui sa wyznaczone w czasie etapu nauki systemu klasyfikacji, która odbywa sie na zbiorze sygnalów ech od znanych celów. Uklad klasyfikacji podejmuje decyzje o naleznosci obiektu, reprezentowanego przez wektor obserwacji pi do klasy IQ, gdy S (j£ Oto = SmiB gdzie Kio jest wyznaczona doswiadczalnie wielkoscia progowa. Wektor jfjest klasyfikowany do klasy L+l, (nierozpoznany obiekt podwodny), gdy znaleziono Smm^Kio.Bloki selekcji 3 i decyzji 4 (fig. 1) moga byc realizowane praktycznie badz przez wyspecjalizo¬ wany uklad cyfrowy, badz przez maszyne cyfrowa pracujaca w czasie rzeczywistym. Obwiednia hydroakustycznego sygnalu ech jest wprowadzana do bloku receptorowego 2 poprzez bramke czasowa ukladu przetwornika A/D.Realizacjabloku receptorowegojest pokazana na rysunku (fig. 3), gdzie zestawione sa kolejno: uklad pamieci buforowej 5, uklad sumy 6, uklad róznicy 7, uklad dzielacy 8 i uklad podnoszenia do kolejnych poteg 9 (9a, do kwadratu, 9b do szescianu, 9c do potegi czwartej, 9d do potegi d-tej, 9 do potegi d-1, 9d do potegi D, gdzie d =.1,2,...,D), a takze uklad pamieci buforowej 10, uklad sumy 11, uklad dzielacy 12, uklad sumy 13, uklad dzielacy 14, uklad logarytmujacy 15. Symbol xi(n) oznacza próbki obwiedni sygnalu echa otrzymane dla i-tego, i=l,2,...,I, impulsu sondujacego echosondy, gdzie n, n=1,2,...,N, jest dlugoscia wycinka sygnalu echa okreslona czasem trwania T bramki wejsciowej, zas symbole pi, p2,...,p*-i, Pz—wyznaczone skladowe szukanego wektora obserwacji jT Uklad pamieci buforowej jest poprzedzony nie zaznaczonym na rysunku (fig. 3) ukladem standardowym bramki czasowej i ukladem przetwornika analogowo-cyfrowego (A/C). Uklad konwencjonalnej bramki czasowej jest polaczony z ukladem konwencjonalnego przetwornika analogowo-cyfrowego, wyjsciem konwencjonalnej echosondy i z wejsciem pamieci buforowej 5 której wyjscie jest polaczone z wejsciem ukladu sumy 6. Jego wyjscie jest polaczone z wejsciem ukladu dzielacego 8, oraz z wejsciem ukladu róznicy 7, którego drugie wejscie jest polaczone z wyjsciem ukladu 8. Wyjscie ukladu 7jest polaczone z wejsciem ukladu 9 podnoszenia do kolejnych poteg d, d=l,2,...,D, którego wyjscie jest polaczone poprzez uklad pamieci buforowej 10 z wejsciem ukladu sumy 11, którego wyjscie jest polaczone z kolei z wejsciem ukladu dzielacego 12.Wyjscie ukladu 12 jest polaczone z wejsciem ukladu sumy 13 a wyjscie ukladu 13 jest polaczone z wejsciem ukladu dzielacego 14, którego wyjsciejest polaczone z wejsciem ukladu logarytmujacego 15, którego wyjscie jest polaczone z wejsciem bloku selekcji 3 systemu klasyfikacji.4 124588 Sposób dzialania bloku receptorowego jest nastepujacy.Do pamieci buforowej 5 bloku receptorowego (fig. 3) sa wprowadzone kolejne próbki x*(n) sygnalu echa Xj(t), odebrane dla i-tego, i=l,2,...,I, impulsu sondujacego echosondy. Wartosci próbek Xi(n) sa wyznaczane dla czasów ti,t2,..,tN, przy czym czas ti jest okreslony chwila otwarcia bramki wejsciowej poprzedzajacej blok receptorowy, który z kolei zalezy od dlugosci klasyfikowa¬ nego celu od przetwornika nadawczo-odbiorczego echosondy.Dlugosc kazdego sygnalu echa x a wiec i liczba próbek n, n= 1,2,...,N,jest okreslona odcinkiem czasu otwarcia wspomnianej bramki, który jest kazdorazowo okreslany wymiarami klasyfikowanego celu. Takwiec w pamieci buforo¬ wej 5 zostaje zapamietany zbiór Xi(n) wartosci próbek sygnalów ech, skladajacy sie z i, i=l,2,...,I, sekwencji wartosci próbek Xi(n) sygnalów ech Xi(t) uzyskanych dla kolejnych impulsów sonduja¬ cych echosondy. Dla danego n, kolejne wartosci x jaki minal od chwili nadania i-tego impulsu sondujacego do odebrania n-tej próbki i-tego sygnalu echa. Dla klasyfikowanych celów hydroakustycznychliczba realizacji (kolejnych impulsów sondu¬ jacych) i, i=l ,2,...,I, jest kazdorazowo ustalona eksperymentalnie tak by zapewnic najlepsza prace systemu klasyfikujacego.Z wyjscia pamieci buforowej 5 próbki sygnalów ech sa podawane na wejscie ukladu sumy 6.Uklad sumy 6 dodaje do siebie wartosci kolejnych próbek otrzymane dla jednakowych czasów tn, a wiec dodaje do siebie wartosci próbek zapamietanych w odpowiadajacych sobie komórkach pamieci n, n=l,2,...,N. Kazda z wyznaczonych w ten sposób sum wartosci sygnalów ech dl a czasów ti, t2,...,tN, jest podawana z wyjscia ukladu 6 na wejscie ukladu dzielacego 8, gdzie zostaje podzielona przez liczbe I skladników z których zostaly utworzone kolejne sumy podawane na wejscie ukladu 8. Otrzymane, dla kolejnych czasów t i,t2,...,tN, ilorazy sa podawane z wyjscia ukladu 8 na wejscie ukladu róznicy 7. Na drugie wejscie tego ukladu sa podawane, z wyjscia pamieci buforowej 5, kolejne wartosci próbek Xi(n). W bloku 7 od kolejnych wartosci próbek Xj(n)- dla kazdego i-tego, i=l,2,...,I, sygnalu echa sa odejmowane odpowiednie wartosci ilorazów, które zostaly wyznaczone w bloku 8. Odejmowanie to zostaje wiec przeprowadzone dla kolejnych wartosci próbek Xj(n),i wyznaczonych w bloku 8 wartosci ilorazów odpowiadajacych jednakowym czasom ti, t2,.-.,tN. Wyznaczone w ten sposób, dla kolejnych wartosci próbek Xj(n) róznice, sa podawane z wyjscia ukladu 7 na wejscie ukladu 9, ukladu podnoszenia do kolejnych poteg d,d=l,2,...,D. Na wyjsciach ukladu 9 otrzymujemy wyznaczone wbloku 7 róznice, podniesione do kolejnych poteg d,d=l,2,...,D. Wyznaczone w ten sposób dla chwil czasu ti,t2,...,tN, wartosci sa wprowadzane na wejscie pamieci buforowej 10. W wyniku wykonanych operacji w pamieci 10 jest przechowywany zbiór wartosci poteg d,d=l,2,...,D, róznic wyznaczonych w ukladzie 7. Z wyjscia pamieci 10 sygnaly sa podawane na wyjscie ukladu sumy 11. Sumowanie w ukladzie 11 jest przeprowadzane w ten sposób, ze sa w nim dodawane do siebie wartosci odpowiadajace jednako¬ wym potegom d,d=l,2,...,D, sygnalów róznic wyznaczonych dla jednakowych chwil czasu ti,t2,.-tN, w bloku 7. Uzyskane zbiory wartosci sum sa podawane na wejscia bloku dzielenia 12, gdzie kazda z nich jest podzielona przez ilosc impulsów sondujacych I. Z wyjsc ukladu 12 wyznaczone w nim N wartosci ilorazów sa podawane na wejscie bloku sumy 13, gdzie z N wartosci ilorazów odpowiadajacy kolejnej potedze d,d=l,2,...,D, wyznaczonych w bloku 7, dla chwil ti,t2,...,tN róznic, sa dodawane do siebie. Wyznaczone w ten sposób wartosci sumy sa podawane z wyjscia ukladu 13 na wejscie ukladu dzielacego 14, gdzie kazda z nich jest wydzielona przez ilosc skladników, z których zostaly w ukladzie 13 wyznaczone, a wiec przez liczbe próbek N. Z wyjscia ukladu 14 wyznaczone ilorazy sa podawane na wejscie ukladu logarytmujacego 15. Logarytmy, wyznaczonych w ukladzie 14 ilorazów, sa szukanymi skladowymi wektora obserwacji P=PiP2,...,Pd. Z wyjscia ukladu 15 sa one wprowadzane do bloku selekcji 3 systemu klasyfikujacego.Operacje realizowane przez uklady 9,11,12,13,14 i 15 moga byc wykonywane równoczesnie, równolegle tak jak to jest pokazane na rysunku (fig. 3) lub przy zastosowaniu dodatkowych pamieci buforowych pomiedzy blokami, szeregowo.Zastrzezenie patentowe Sposób klasyfikacji celów podwodnych na podstawie ich hydroakustycznych sygnalów ech, umozliwiajacy rozpoznawanie obiektów podwodnych w sposób obiektywny, przy wykorzystaniu124588 5 danych z echosondy i komputera, znamienny tym, ze do pamieci buforowej (5) wejsciowego bloku receptorowego (2) wprowadza sie kolejne próbki cyfrowe obwiedni sygnalów echa, otrzymane z analogowego sygnalu echa, odebranego przez odbiornik standardowy echosondy i uzyskanego w wyniku rozproszenia przez rozpoznawany obiekt impulsu sondujacego wygenerowanego przez nadajnik tej echosondy, wytworzone w konwencjonalnym przetworniku analogowo-cyfrowym, przy czym odstepy miedzy kolejnymi chwilami próbkowania analogowego sygnalu echa sa nie krótsze niz odwrotnosc podwojonego pasma przenoszenia odbiornika echosondy, zas ich liczba jest okreslona czasem otwarcia bramki, który to odcinek czasu zalezy od dlugosci impulsu sondujacego echosondy, wymiarów geometrycznych klasyfikownego obiektu oraz aspektu, który to parametr traktuje sie jako wielkosc losowa, zapamietujac w pamieci zbiory tak wyznaczonych cyfrowych próbek sygnalów ech uzyskiwanych od klasyfikowanego obiektu dla kolejnych impul¬ sów sondujacych echosondy przy czym liczbe realizacji kolejnych impulsów sondujacych dla klasyfikowanych grup celów hydroakustycznych ustala sie eksperymentalnie w czasie etapu nauki systemu, który poprzedza etap klasyfikacji i jest przeprowadzony na zbiorach znanych obiektów, które sa przedstawicielami klas celów rozpoznawanych w czasie wlasciwej pracy systemu jako klasyfikator, przy czym liczebnosc zbiorów obiektów oraz liczba realizacji sa okreslone jako minimalne liczby zapewniajace poprawna prace systemu z przyjetym a priori prawdopodobien¬ stwem, z kolei z wyjscia pamieci buforowej (5) wyznaczone próbki podaje sie na wejscie ukladu sumy (6), gdzie dodaje sie do siebie próbki otrzymane od rozpoznawanego obiektu dla kolejnych impulsów sondujacych echosondy dlajednakowych odcinków czasu od momentu nadania impulsu sondujacego do momentu ich wyznaczenia, kazda z wyznaczonych sum wartosci sygnalu ech dla tak okreslonych chwil czasu podaje sie z kolei z wyjscia ukladu sumujacego (6) na wejscie ukladu dzielacego (8), gdzie dzieli sie je przez liczbe realizacji, a wiec przez liczbe skladników, z których zostaly utworzone te sumy, a otrzymane ilorazy podaje sie na wejscie ukladu róznicy (7), na którego drugie wejscie podaje sie z wyjscia pamieci buforowej (5) kolejne wartosci próbek sygnalów ech otrzymanych dla kolejnych impulsów sondujacych, realizujac dla jednakowych chwil czasu od momentu nadania impulsu sondujacego do momentu wyznaczenia próbek operacje odejmowania wynik której podnosi sie do kolejnych poteg, przy czym rzad najwyzszej potegi, a wiec i liczebnosc zbioru liczb odpowiadajacych kolejnym potegom wyznaczonych róznic, okresla sie eksperymental¬ nie w czasie etapu nauki systemu klasyfikacji, który poprzedza etap klasyfikacji i jest przeprowa¬ dzony na zbiorach znanych obiektów, które sa przedstawicielami klas celów rozpoznawanych w czasie wlasciwej pracy systemu jako klasyfikator, zas rzad najwyzszej potegi okresla sie jako minimalna liczbe zapewniajaca poprawna prace systemu z przyjetym a priori prawdopodobien¬ stwem i okreslona liczba realizacji impulsów sondujacych echosondy, uzyskujac wartosci, które wprowadza sie z kolei do dodatkowej pamieci buforowej (10) gdzie przechowuje sie zbiór wartosci poteg róznic uprzednio wyznaczonych, a sygnaly z wyjscia tej dodatkowej pamieci buforowej (10) sumuje sie, dodajac do siebie wartosci odpowiadajace jednakowym potegom, zas uzyskane zbiory wartosci sum dzieli sie kazda przez liczbe impulsów sondujacych, wreszcie tak uzyskane ilorazy sumuje sie i N wartosci kazdego D ilorazów, odpowiadajacych kolejnej potedze, dodaje sie do siebie, a wyznaczone tak wartosci sum dzieli sie i kazda znich wydziela sie przez ilosc skladników, z których zostaly wyznaczone, a wiec przez liczbe próbek N, z kolei te ilorazy logarytmuje sie uzyskujac skladowe klasyfikowanego wektora obserwacji. fig. 1124 58* % 32\ 30\ ze\ 26 24 12 20 18 16 14 12 10 8 6 4 1 o x A o -oC A - t o x 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 «f ffj. 2fig- 3 PL