Введение

Область исследований в области обработки сигналов

Обработка массивов – это широкая область исследований в области обработки сигналов, охватывающая варианты от простейших одномерных линейных массивов до двумерных и трехмерных геометрических конфигураций. Структура массива определяется как набор пространственно разделенных сенсоров, например, радиоантенн и сейсмических массивов. Сенсоры, используемые для конкретной задачи, могут значительно различаться, включая микрофоны, акселерометры и телескопы. Однако существует множество общих черт, наиболее фундаментальной из которых является предположение о распространении волн. Распространение волн подразумевает наличие систематической связи между сигналами, принимаемыми пространственно разделенными сенсорами. Создавая физическую модель распространения волн или, в приложениях машинного обучения, набор обучающих данных, можно использовать взаимосвязи между сигналами, полученными на пространственно разделенных сенсорах, для решения широкого круга задач. Некоторые распространенные задачи, решаемые с помощью методов обработки массивов:
определение количества и местоположения источников излучения энергии;
улучшение отношения сигнал/шум (SNR) или отношения сигнал/помехи плюс шум (SINR);
отслеживание движущихся источников.

Метрики обработки массивов часто оцениваются в зашумленных условиях. Модель шума может предполагать пространственно некоррелированный шум или наличие интерферирующих сигналов, подчиняющихся тем же законам распространения. Теория оценок является важной и базовой частью области обработки сигналов, используемой для решения задач оценки, в которых значения нескольких параметров системы должны быть оценены на основе измеренных/эмпирических данных, содержащих случайную составляющую. С увеличением числа приложений оценка временных и пространственных параметров становится все более важной. Обработка массивов активно развивалась в последние десятилетия, опираясь на возможность использования и объединения данных с различных сенсоров (антенн) для решения конкретных задач оценки (пространственной и временной обработки). Помимо информации, извлекаемой из собранных данных, в рамках этой области используется априорное знание о геометрии массива сенсоров для выполнения задачи оценки. Обработка массивов применяется в радиолокации, гидролокации, сейсмической разведке, системах противодействия помехам и беспроводной связи. Одним из основных преимуществ использования обработки массивов вместе с массивом сенсоров является уменьшение габаритов. Проблемы, связанные с обработкой массивов, включают количество источников, направление их прихода и форму сигналов. Существует четыре основных предположения в обработке массивов. Первое предположение заключается в том, что распространение во всех направлениях является однородным в изотропной и недиспергирующей среде. Второе предположение состоит в том, что для обработки массивов в дальней зоне радиус распространения значительно превышает размер массива и происходит распространение плоских волн. Третье предположение заключается в том, что шум и сигнал имеют нулевое среднее значение и некоррелированы. Наконец, последнее предположение состоит в том, что отсутствует связь между элементами массива и калибровка выполнена идеально. NORSAR – это независимая геофизическая исследовательская организация, основанная в Норвегии в 1968 году. С тех пор NORSAR занимается обработкой массивов для измерения сейсмической активности по всему миру. В настоящее время они работают над Международной системой мониторинга, которая будет состоять из 50 основных и 120 вспомогательных сейсмических станций по всему миру. NORSAR продолжает работу по совершенствованию обработки массивов для повышения точности мониторинга сейсмической активности не только в Норвегии, но и во всем мире. Связь (беспроводная)

Связь определяется как процесс обмена информацией между двумя или более сторонами. Последние два десятилетия характеризуются стремительным ростом систем беспроводной связи. Этот успех является результатом достижений в теории связи и разработке малопотребляющих устройств. В общем случае связь (телекоммуникация) может осуществляться технологическими средствами посредством электрических сигналов (проводная связь) или электромагнитных волн (беспроводная связь). Антенные массивы стали вспомогательной технологией для повышения эффективности использования спектра и повышения точности систем беспроводной связи за счет использования пространственного измерения в дополнение к классическим временным и частотным измерениям. Методы обработки массивов и оценки используются в беспроводной связи. В течение последнего десятилетия эти методы были переосмыслены как перспективные решения для многочисленных проблем в беспроводной связи. В беспроводной связи проблемы, влияющие на качество и производительность системы, могут возникать из различных источников. Модель связи с множественным доступом с разделением по коду и многолучевым распространением сигнала по множеству рассеивающих путей является одной из наиболее распространенных моделей связи в беспроводной связи (мобильной связи). В случае многопользовательской среды наличие нескольких пользователей увеличивает вероятность межпользовательских помех, которые могут негативно повлиять на качество и производительность системы. В системах мобильной связи многолучевость является одной из основных проблем, с которыми приходится сталкиваться базовым станциям. Базовые станции используют пространственное разнесение для борьбы с замираниями, вызванными многолучевостью. Базовые станции используют антенный массив из нескольких элементов для достижения большей избирательности, так называемого формирования луча. Принимающий массив может быть направлен в сторону одного пользователя за раз, избегая при этом помех от других пользователей. Медицинские применения

Методы обработки массивов привлекли значительное внимание со стороны медицинских и промышленных приложений. В медицине область обработки медицинских изображений была одной из основных областей применения обработки массивов. Другие медицинские применения обработки массивов: лечение заболеваний, отслеживание сигналов, содержащих информацию о состоянии внутренних органов, например, сердца, локализация и анализ активности мозга с использованием биомагнитных массивов сенсоров. Обработка массивов для улучшения речи

Улучшение и обработка речи – еще одна область, на которую повлияла новая эра обработки массивов. Большинство акустических фронтенд-систем стали полностью автоматическими (например, телефоны). Однако рабочая среда этих систем содержит смесь других акустических источников; внешние шумы, а также акустическая связь сигналов громкоговорителей заглушают и ослабляют желаемый речевой сигнал. Помимо этих внешних источников, сила желаемого сигнала уменьшается из-за относительно большого расстояния между говорящим и микрофонами. Методы обработки массивов открыли новые возможности в обработке речи для подавления шума и эха без ухудшения качества и негативного влияния на речевой сигнал. В общем, методы обработки массивов могут использоваться в обработке речи для уменьшения вычислительной мощности (количества вычислений) и повышения качества системы (производительности). Представление сигнала в виде суммы поддиапазонов и адаптация фильтров подавления для поддиапазонных сигналов может уменьшить требуемую вычислительную мощность и привести к системе с более высокой производительностью. Опора на несколько входных каналов позволяет разрабатывать системы более высокого качества по сравнению с системами, использующими один канал, и решать такие задачи, как локализация, отслеживание и разделение источников, которые невозможно решить при использовании одного канала. Обработка массивов в астрономических приложениях

Астрономическая среда содержит смесь внешних сигналов и шумов, которые влияют на качество желаемых сигналов. Большинство приложений обработки массивов в астрономии связаны с обработкой изображений. Массив используется для достижения более высокого качества, которое невозможно получить при использовании одного канала. Высокое качество изображения облегчает количественный анализ и сравнение с изображениями на других длинах волн. В общем, астрономические массивы можно разделить на два класса: класс формирования луча и класс корреляции. Формирование луча – это сигнал п…

Пример: пространственная фильтрация

В радиоастрономии необходимо подавлять радиочастотные помехи для обнаружения и наблюдения значимых объектов и явлений в ночном небе.

Резюме

Техника обработки массивов представляет собой прорыв в области обработки сигналов. Рассматривается широкий спектр приложений и задач, решаемых с использованием методов обработки массивов. Помимо этих приложений, в ближайшие несколько лет число приложений, включающих ту или иную форму обработки массивов сигналов, будет расти. Ожидается, что значимость обработки массивов возрастет по мере распространения автоматизации в промышленности и в различных приложениях, а дальнейшие достижения в области цифровой обработки сигналов и систем цифровой обработки сигналов также будут способствовать удовлетворению высоких вычислительных требований, предъявляемых некоторыми методами оценки. В данной статье подчеркивается важность обработки массивов путем перечисления наиболее значимых приложений, использующих методы обработки массивов. Кратко описываются различные классификации обработки массивов, основанные на спектральных и параметрических подходах. Освещаются некоторые из наиболее важных алгоритмов, а также объясняются и обсуждаются их преимущества и недостатки.