Способ определения отношения значений амплитуд квазисинусоидальных сигналов

 

Изобретение относится к области измерения электрических сигналов, изменяющихся по гармоническому закону, в частности, к способам определения отношения значений амплитуд квазисинусоидальных сигналов, частоты которых лежат в низкочастотном и инфранизкочастотном диапазонах, и может быть использовано в частности, при обработке сейсмических сигналов. Целью изобретения является уменьшение погрешности измерения отношения амплитуд сигналов. В соответствии с решением поставленной задачи в дополнение к известным операциям производят сдвиг по фазе одного сигнала относительно другого и выделяют временный интервал, общий для двух сигналов на одном из их полупериодов, такой, на котором не происходит изменения знака исследуемых сигналов, измерения мгновенных значений сигнала производят в момент времени, соответствующий половине выбранного временного интервала. 2 ил.

Изобретение относится к области измерения параметров электрических сигналов, изменяющихся по гармоническому закону, в частности к способам определения отношений значений амплитуд квазисинусоидальных сигналов, частоты которых лежат в низкочастотном и инфранизкочастотном диапазонах, и может быть использовано, в частности, при обработке сейсмических сигналов. Источниками сигналов могут быть также явления механического, электрического, биологического характера, а также колебания, источниками которых являются различные физические поля. Целью изобретения является уменьшение погрешности измерения отношения амплитуд сигналов. Цель в способе определения отношения значений амплитуд квазисинусоидальных сигналов, равных или близких по частоте, путем измерения двух мгновенных значений этих сигналов и определения модуля их отношения, достигается тем, что сдвигают по фазе один сигнал относительно другого таким образом, чтобы они не были в фазе или противофазе, выделяют временной интервал, общий для двух сигналов на одном из их полупериодов, такой, на котором не происходит изменения знака исследуемых сигналов, а измерения мгновенных значений сигналов проводят в момент времени, соответствующий половине выбранного временного интервала. Возможность реализации заявляемого способа поясняется чертежом, на котором представлены два сдвинутых по фазе сигнала одинаковой частоты с длительностью полупериода Т: на фиг. 1 первый сигнал в фазе с вторым сигналом; на фиг. 2 первый сигнал в противофазе с вторым сигналом. Сигналы в фазе в противофазе имеют один общий интервал τ в каждом из полупериодов, в пределах которого значения сигналов не меняют знак на противоположный, временной интервал τ^I T τ соответствует сдвигу фаз Δ ϕ Сигнал с большей амплитудой имеет искажения в области экстремумов квазисинусоидальный сигнал. На примере сигналов на фиг. 1 и 2 покажем возможность определения отношения амплитуд сигналов без непосредственного измерения этих амплитуд, что обеспечит измерение указанного отношения с минимальной погрешностью в случае искажения сигналов в области экстремумов. Для доказательства рассмотрим синусоидальные сигналы с амплитудами А₁ и А₂. Отношение амплитуд сигналов К можно записать в виде K (1) при условии, что (2) Для упрощения последующих выкладок, с учетом равенства частот сигналов, положим ω t_o ϕ_o и найдем значение аргумента t_o, при котором будет выполняться условие (2). Проведем далее некоторые тригонометрические преобразования выражения (1): K (3) Для упрощения выражения (3) приравняем нулю либо ϕ₁, либо ϕ₂ в зависимости от значения знака разности фаз, тогда после преобразования выражения (3) получим два выражения для разности фаз противоположного знака: K₁ cosΔϕ + для ϕ₁>ϕ₂ K₂ для ϕ₂<ϕ₁ (4) Условие (2) с учетом выражений (4) после несложных преобразований можно записать в виде
tgϕ_o
(5) Правую часть выражения (5) можно преобразовать через функцию половинного аргумента, тогда получим следующие соотношения
tgϕ_o= ctg tg90° tg
(6) Из выражения (6) следует, что
ωt_o(τ_o)=ϕ_o=
а это означает, что условие (2) будет выполняться при измерении мгновенных значений сигналов в точке τ_o, соответствующей половине выбранного временного интервала τ. Естественно, что погрешность определения отношения амплитуд сигналов через измерение мгновенных значений сигналов в указанной точке в середине выбранного интервала и, соответственно, погрешность определения модуля их отношения будет минимальна в случае, если эти мгновенные значения будут выбраны в неискаженных частях сигналов. Для обеспечения этого условия сдвиг фаз Δ ϕ выбирают не произвольно, а таким образом, чтобы точка на середине временного интервала τ, соответствующего этому сдвигу, проецировалась на неискаженные участки сигналов. В этом случае погрешность измерения мгновенных значений сигналов будет обусловлена только аппаратурной погрешностью и не будет превышать 1% в то время как при искажении сигналов по уровню 0,7 погрешность измерения непосредственно амплитуд сигналов в способе-прототипе может достигать 30%
Предлагаемый способ был практически реализован при калибровке измерительных каналов для сигналов, модулирующих сейсмические воздействия на частотах 0,5-2 Гц при искажении сигналов до 10%
Обработка сигналов осуществлялась с помощью компьютера, на экране дисплея которого представлялись оба сигнала. Оператор анализируя форму сигналов, видит в какой части полупериода наблюдаются искажения: высокочастотный бросок, ограничение по уровню, гармонические искажения, и выбирает такой фазовый сдвиг, чтобы в области середины интервала τ сигналы либо не имели искажений, либо имели минимально возможные искажения, при этом абсолютное значение фазового сдвига значения не имеет, как не участвующее в определении искомого отношения. Дальнейшие операции по выбору момента, соответствующего середине интервала, измерению значений сигналов в этой точке и определению модуля их отношений проводятся в автоматическом режиме по программе, заложенной в компьютер. В частности, в моделируемом событии был осуществлен сдвиг сигналов Δ ϕ ≈ 45^о, погрешность определения отношения амплитуд составила ≈ 1% Обработка сигналов проводилась с помощью компьютера IBM PC/PТ. При проведении физических экспериментов запись сигналов осуществляется в цифровой форме на магнитный носитель. После перезаписи реальной информации на дискету обработку сигналов осуществляют на компьютере как описано выше. Использование заявляемого способа особенно эффективно при анализе колебаний, имеющих невысокое соотношение сигнал/шум, или при анализе сигналов, близких по амплитуде к максимуму динамического диапазона измерительного канала и даже превышающих его на несколько децибел. Заявляемый способ может быть использован также для восстановления неизвестного значения амплитуды искаженного (ограниченного по уровню) сигнала с помощью определения отношения амплитуды большего (искаженного) сигнала к меньшему неискаженному сигналу с известной амплитудой, близкого по частоте к исследуемому. Такой вариант возникает в условиях, когда зарегистрирован сигнал больше, чем позволяет динамический диапазон датчика, или экспериментатор выбрал неправильно коэффициент усиления в канале. Возможность получить значение амплитуды информационного сигнала позволяет дать количественную оценку исследуемого процесса.

Формула изобретения

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОТНОШЕНИЯ ЗНАЧЕНИЙ АМПЛИТУД КВАЗИСИНУСОИДАЛЬНЫХ СИГНАЛОВ, равных или близких по частоте, путем измерения двух мгновенных значений этих сигналов и определения модуля их отношения, отличающийся тем, что, с целью уменьшения погрешности измерения, сдвигают по фазе один сигнал относительно другого таким образом, чтобы они не были в фазе или противофазе, выделяют временной интервал, общий для двух сигналов на одном из их полупериодов, такой, на котором не происходит изменения знака исследуемых сигналов, измерения мгновенных значений сигналов проводят в момент времени, соответствующий половине выбранного временного интервала.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Номер и год публикации бюллетеня: 29-2000

Извещение опубликовано: 20.10.2000        

---