ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА ПЕРЕВОДА

Предлагаемая вниманию читателя книга написана Ж. Максом и специалистами ряда французских научно-исследовательских учреждений. Их имена и работы достаточно известны научной общественности, что служит определенной гарантией качества книги.

Интерес к методам обработки сигналов существенно возрос в последние годы. Это объясняется, во-первых, интенсивным развитием вычислительной техники. ЭВМ в настоящее время обладают такими возможностями, что они позволяют реализовать очень сложные алгоритмы обработки. Хотя многие из методов, лежащих в основе этих алгоритмов, были известны давно, их практическая реализация стала возможной лишь с появлением быстродействующих ЭВМ. Это относится, например, к различным интегральным преобразованиям, в частности к преобразованию Фурье. Во-вторых, интерес к методам обработки вырос в связи с бурным развитием производства интегральных схем и микропроцессоров, на основе которых можно создавать специализированные устройства для обработки данных, обладающие большим быстродействием и высокой точностью обработки. Во многих случаях микропроцессоры являются элементом измерительной установки и обеспечивают возможность обработки в реальном времени, осуществляя, таким образом, совмещение процесса измерения и обработки. Богатые вычислительные возможности оказали заметное влияние на развитие самих методов обработки, вызвав к жизни целый ряд задач, решение которых ранее было невозможно. К ним относится, например, изучение нестационарных случайных процессов.

Все эти факты нашли отражение в книге или повлияли на ее содержание. Основной особенностью книги следует считать ее ориентацию на специалистов, работающих в самых разных областях науки и техники. Можно даже сказать, что она в большей степени ориентирована на специалистов в тех областях, в которых подобные методы обработки еще не нашли широкого распространения. В известном смысле книга служит призывом к внедрению методов обработки в практику.

Авторы поставили перед собой цель — охватить довольно широкий круг вопросов, связанных с обработкой сигналов, начиная от математических основ и кончая техническими решениями и многочисленными приложениями к физике, биологии, машиностроению, медицине и т. д. Такая широта делает ее полезной для самых разнообразных специалистов. Этому способствует также стиль книги. Все используемые основные понятия (в том числе такие, как преобразование Фурье, свертка и т. п.) очень подробно объясняются и иллюстрируются, что позволяет прочесть книгу с пользой и тем читателям, которые вследствие характера своей деятельности немного забыли математические выражения, но нуждаются в развитии методов обработки. Многие выводы сопровождаются подробными выкладками, при необходимости авторы говорят о тонкостях метода и подводных камнях, которые могут ускользнуть от внимания не очень проницательного читателя.

Практическая ценность книги состоит также в большом количестве формул, пригодных для непосредственного использования при обработке сигналов.

Главы книги, посвященные описанию технических средств, предназначены в основном для пользователей аппаратуры, но не разработчиков: достаточно обстоятельно описываются принципы работы приборов и устройств, взаимосвязи между элементами и узлами, но не излагаются конкретные технические

реализации. Такой подход, на мой взгляд, правилен, если учесть, что аппаратура обычно покупается и для ее правильной эксплуатации достаточны лишь общие представления о ней. В книге приведены технические характеристики некоторых приборов.

Большая часть книги посвящена приложениям спектрального и корреляционного анализов. Выбор применений весьма широк, хотя далеко не исчерпывает всех возможностей этих методов анализа. Выбранные примеры настолько характерны, а результаты, полученные с помощью описываемых методов, настолько убедительны, что любой заинтересованный специалист, прочитавший книгу, легко сможет понять, как использовать методы обработки сигналов в его конкретной области и каких результатов можно ожидать.

Книга будет полезна специалистам, работающим в самых разнообразных областях науки и техники, включая физику, химию, биологию, медицину, машиностроение и др. Она может быть использована в качестве учебного пособия студентами соответствующих специальностей при изучении курсов, посвященных методам обработки данных.

Н. Г. Волков

ПРЕДИСЛОВИЕ К ПЕРВОМУ И ВТОРОМУ ИЗДАНИЯМ

Мне очень приятно представить читателям монографию Ж. Макса, посвященную основным методам и технике обработки сигналов и их применениям при физических измерениях. Автор книги — сотрудник Высшей электротехнической школы и руководитель отдела «Обработка сигналов» Лаборатории электроники и информационной техники Центра ядерных исследований в Гренобле, что свидетельствует о его высокой компетенции в рассматриваемой области. Эта область в настоящее время чрезвычайно актуальна. Ученые и инженеры все больше и больше занимаются проблемой извлечения максимума информации из результатов измерений. Но интересующие их сигналы всегда сопровождаются шумами, носящими случайный характер, и поэтому важно найти методы выделения сигналов на фоне шумов. Проблемы, которые интересовали раньше только военных специалистов в области пеленгования и отчасти геофизиков, начинают играть большую роль теперь для всех физиков.

Кроме того, многие явления, такие, например, как пластическая деформация материалов, гистерезис ферромагнитных материалов и особенно эффект Баркгаузена, могут быть с успехом рассмотрены как случайные явления. Следовательно, случайные функции представляют также большой интерес при изучении этих явлений.

Содержание книги — итог многолетней работы ученых Центра ядерных исследований в Гренобле, результаты которой нашли многочисленные применения в промышленности, а также широко используются учеными и инженерами при создании и эксплуатации измерительной аппаратуры.

Основой для монографии послужил курс лекций, прочитанный автором в нескольких технических вузах, а также материал по научно-техническому обмену, который обсуждался на семинарах группы пользователей обработки сигналов, проводимых два раза в год в Гренобле. Автор в единой форме представил необходимые сведения для специалистов (число которых непрерывно растет), использующих при исследованиях методы и технику обработки сигналов. Четкое и ясное изложение сложных понятий и явлений облегчает ее чтение и понимание. Практические вопросы и теоретические выкладки всегда взаимосвязаны.

Фундаментальные понятия вводятся с помощью только необходимого для этого математического аппарата, а элементарный математический уровень книги делает ее доступной для студентов, инженеров, техников и исследователей различного профиля.

Три главы книги посвящены фильтрации, функции неопределенности и мгновенным спектрам. Именно в этой области наиболее глубоко разработаны методы, которые будут находить все более многочисленные применения по мере общего технического прогресса и позволят в недалеком будущем создать простую аппаратуру для обработки комплексных функций.

Я уверен, что книга будет широко использована студентами, учеными, инженерами и даст им возможность изучить область знания, в развитие которой французские ученые вносят существенный вклад.

Луис Неел

Лауреат Нобелевской премии по физике, профессор

ПРЕДИСЛОВИЕ К ТРЕТЬЕМУ ИЗДАНИЮ

Книга Ж. Макса, посвященная основным методам и технике обработки сигналов и их применениям при физических измерениях, была впервые издана в 1972 г. и к настоящему времени стала классическим трудом. Ее переиздание является важным событием в области методов обработки сигналов. Автор существенно переработал и дополнил книгу новыми теоретическими и экспериментальными результатами, привлек к работе над книгой специалистов, работающих как на частных предприятиях, так и в национальных и международных исследовательских лабораториях.

В настоящее время, когда обработка сигналов быстро переходит от этапа теоретических исследований к этапу технических приложений, следует отметить важность и актуальность предложенных автором методов. Последние найдут применение при вычислениях точности получаемых результатов, когда это необходимо, и даже тогда, когда полученные результаты непредсказуемы, но подтверждаются экспериментально. Отметим, в частности, гл. 14, которая посвящена спектральным окнам и которая позволяет читателю разобраться в недостаточно изученных до сих пор вопросах. В книге особое внимание уделяется взаимности временного и частотного представлений, лежащих в основе обработки сигналов, что помогает выработать у читателя навыки обращения с этими понятиями.

В новом издании большое место уделено оптическим методам обработки сигналов, на которых основаны новые устройства, в частности проекторы на жидких кристаллах. Следует отметить актуальность материала новой главы, посвященной широко распространенным в настоящее время спектральным анализаторам, которые отличаются от коррелометров, рассмотренных в предыдущих изданиях. Важна также новая глава, в которой рассмотрены вибрации. Исследование вибраций составляет одно из основных применений теории об работки сигналов.

Все внесенные в новом издании добавления полезны, и следует поблагодарить Ж. Макса за его труд, дающий возможность ознакомиться с самыми последними достижениями в этой быстро развивающейся области науки.

Мишель Кордель

Директор Лаборатории электроники и информационной техники при Комиссариате по атомной энергии

ПРЕДИСЛОВИЕ АВТОРА

Третье издание книги почти в два раза превышает по объему первое издание, вышедшее в 1972 г. Это объясняется быстро возрастающей ролью методов обработки сигналов в науке и технике. Цель этого издания прежде всего служить рабочим аппаратом для инженеров и ученых во всех областях науки. Часть книги посвящена теоретическим вопросам, которые необходимы не только для понимания содержания самой книги, но которые дают возможность читателю определять пределы применимости предлагаемых методов по! обработке сигналов и создавать, когда это возможно, новые методы. В том случае, когда подробное изложение какого-либо вопроса не имеет прямого отношения к обработке сигналов, мы даем только краткий обзор, основанный на физике рассматриваемого вопроса. Это в первую очередь относится к главам 2—8 и 11. Гл. 7 расширена, так как проблемы дискретизации имеют огромное значение, поскольку неправильное применение дискретизации приводит к непоправимым искажениям сигнала. В гл. 9, 10 и 12 подробно исследуются ошибки при обработке сигналов и точность того или иного метода. Анализ этих ошибок позволяет увеличить отношение сигнал/шум, что является целью обработки сигналов.

Изучение методов спектрального анализа в гл. 13 продолжено в гл. 14, посвященной изучению спектральных окон. Важность этой главы велика, поскольку большинство систем обработки сигналов состоит из различных спектральных окон и для выбора подходящей системы необходимо иметь различные критерии, с помощью которых осуществляется выбор.

В томе 2 описываются устройства, которые наиболее часто используются при обработке сигналов (многоканальные анализаторы (гл. 15), синхронные детекторы (гл. 16), фильтры (гл. 17)), реализация которых возможна при современном уровне технологии. В гл. 18 и 19 рассмотрены различные типы коррелометров и анализаторов спектра. Оптические методы спектрального анализа кратко изложены в гл. 20. В гл. 21 приведено несколько примеров применения описанных в книге методов. К сожалению, в этой главе не рассмотрены наиболее интересные примеры успешного применения методов, поскольку они представляют военный или промышленный секрет (например, обнаружение подводных лодок и самолетов, управление процессами в химической промышленности). В гл. 22 показано значение применения методов обработки сигналов для изучения вибраций. Наконец, гл. 23—25 посвящены давно известным методам, но которые только в последние годы нашли применение благодаря большому техническому прогрессу, и особенно после создания интегральных схем. Функция неопределенности, имеющая широкое применение, мгновенный спектр, который при спектральном анализе используется наиболее часто, и, наконец, новые методы спектрального анализа рассматриваются для случая, когда время наблюдения сигнала очень мало (в этом случае говорят о кратковременных сигналах или о неполных рядах).

К сожалению, мы не могли здесь рассмотреть некоторые методы, которые были созданы за время выхода книги из печати.