Стохастический фильтр

 

Изобретение относится к специализированной вычислительной технике и может быть использовано для оптимального оценивания нелинейных стохастических сигналов. Сущность изобретения состоит в том, что в устройство введены генератор тактовых импульсов, группа из N² ключей, три элемента задержки, N электрооптических модуляторов, N оптических функциональных преобразователей, входной ключ, N фотоприемников, линейный блок вычитания, селектор минимального сигнала, группа из N компараторов и преобразователь позиционный код - аналог. 1 ил.

Изобретение относится к специализированной вычислительной технике и может быть использовано для оптимального оценивания нелинейных стохастических сигналов.

Известны различные стохастические фильтры, решающие задачу оценивания нелинейных сигналов [1] Недостатком таких фильтров является невозможность формирования в реальном времени оптимальной оценки нелинейного процесса.

Наиболее близким по техническому исполнению к предложенному устройству является оптическое вычислительное устройство, содержащее источник излучения, оптические разветвители, группу оптических усилителей, неуправляемый линейный и управляемый матричный оптические транспаранты [2] Недостатком данного устройства, позволяющего сформировать в реальном времени только априорную плотность распределения оцениваемого процесса, является невозможность определения апостериорной оценки нелинейного процесса, оптимальной по критерию максимума апостериорной плотности вероятности (АПВ).

Изобретение направлено на решение задачи оптимального по критерию максимума АПВ оценивания нелинейных стохастических процессов в реальном масштабе времени. Подобная задача возникает при обработке информационных сигналов в нелинейных системах связи и управления при действии помех в устройствах измерения.

Сущность изобретения состоит в том, что в устройство введены генератор тактовых импульсов, группа ключей, три элемента задержки, группа электрооптических модуляторов, группа оптических функциональных преобразователей, входной ключ, группа фотоприемников, линейный блок вычитания, селектор минимального сигнала, группа компараторов и преобразователь позиционный код-аналог, информационные входы группы ключей являются информационными входами фильтра, управляющие входы объединены с входами всех элементов задержки и соединены с выходом генератора тактовых импульсов, а выходы подключены к управляющим входам матричного оптического транспаранта, при этом выход выходного оптического разветвителя подключен к информационным входам группы модуляторов, управляющие входы которых соединены с выходами соответствующих оптических функциональных преобразователей, управляющие входы которых объединены и соединены с выходом входного ключа, информационный вход которого является входом сигнала измерения, а управляющий вход соединен с выходом второго элемента задержки, при этом выход первого элемента задержки подключен к управляющему входу источника излучения, а выход третьего элемента задержки подключен к объединенным управляющим входам группы фотоприемников, информационные входы которых соединены с выходами электрооптических модуляторов, а выходы подключены к входам вычитаемого линейного блока вычитания, входы уменьшаемого которого объединены и соединены с шиной задания постоянного потенциала, а выходы подключены к управляющим входам соответствующих компараторов и входам селектора минимального сигнала, выход которого подключен к информационным входам всех компараторов, выходы которых подключены к соответствующим входам преобразователя позиционный код-аналог, выход которого является выходом устройства.

На чертеже приведена функциональная схема стохастического фильтра.

Фильтр состоит из генератора таковых импульсов (ГТИ) 1, входного ключа 2_о и группы из N² ключей 2₁,2_N2, трех элементов задержки 3₁-3₃, оптического блока вычитания априорной плотности 4 (ОБВАП), N электрооптических модуляторов света 5₁-5_N, N оптических функциональных преобразователей (ОФП) 6₁-6_N, N фотоприемников 7₁-7_N, линейного блока вычитания 8, селектора минимального сигнала (СМС) 9, N компараторов 10₁,10_N, преобразователя код-аналог (ГКА) 11.

ОБВАП 4 выполнен аналогично известному оптическому вычислительному устройству и содержит импульсный источник излучения 4₁, входной разветвитель 4₂, неуправляемый линейный оптический транспарант 4₃, управляемый плоский транспарант 4₄, группу оптических усилителей 4₅(ОУ), оптический разветвитель 4₆, кольцевой оптический разветвитель 4₇ и группу выходных ответвлений 4₈. ОФП 6_i, i , выполнен идентично известной ОФП (Авт.св. СССР N 1644181, кл. G 06 Е 3/00, 1991).

СМС 9 выполнен идентично известной схеме СМС (Авт.св. СССР N 1223259, кл. G 06 G 9/00, 1986).

ПКА 11 представляет собой преобразователь позиционного кода в аналоговый сигнал и может быть выполнен в виде набора N масштабирующих усилителей, входы которых являются соответствующими входами ПКА, а выходы объединены с выходом ПКА.

Выход ГТИ 1 подключен к управляющим входам ключей 2₁,2_N2, через первый элемент задержки 3₁ к входу источника излучения 4₁(управляющему входу ОБВАП 4), через второй элемент задержки 3₂ к управляющему входу ключа 2_о и через третий элемент задержки 3₃ к управляющим входам фотоприемников 7₁,7_N.

Информационные входы ключей 2₁,2_N2 объединены с соответствующими N₂ информационными входами устройства U₁,U_N2, а выходы подключены к N xN управляющим входам транспаранта 4₄ ОБВАП 4. Выходы N ответвлений 4₈, являющиеся выходами ОБВАП 4, подключены к информационным входам электрооптических модуляторов 5₁,5_N, управляющие входы которых соединены с выходами соответствующих ОФП 6₁,6_N; Управляющие входы ОФП 6₁,6_N объединены и через входной ключ 2_осоединены с входом сигнала измерения ζ_t устройства.

Выходы модуляторов 5₁,5_N подключены к информационным входам фотоприемников 7₁,7_N, выходы которых подключены к входам вычитаемого соответствующих N блоков вычитания, образующих линейный блок вычитания 8. Входы уменьшаемого блока 8 объединены и соединены с шиной задания постоянного потенциала С, а выходы блока 8 подключены к N входам СМС 9 и входам управления соответствующих компараторов 10₁,10_N.

Информационные входы всех компараторов объединены и соединены с выходом СМС 9, а выходы подключены к соответствующим входам ПКА 11, выход которого является выходом устройства.

Работа устройства организована следующим образом.

ГТИ 1 формирует тактовые импульсы, поступающие на управляющие входы ключей 2₁,2_N2 и через элементы задержки 3₁-3₃ соответственно на управляющие входы источника излучения 4₁, ключа 2_о и группы фотоприемников 7₁-7_N, cинхронизируя поступление управляющих сигналов на входы ОБВАП 4, сигнала измерения ζ_t на вход фильтра и сигналов с выхода ОБВАП 4.

Вычисление априорной плотности ρ (λ, t_i) в ОБВАП 4 происходит следующим образом. В первый момент времени на управляющие входы матричного транспаранта 4₄ через ключи 2₁-2_N2 поступают известные временные управляющие сигналы U₁(t_i) U_N2(t_i), обеспечивающие (аналогично прототипу) требуемую двумерную функцию пропускания транспаранта 4₄, которая в данном случае равна N*(λS,t_i) число N x N элементов (управляемых транспарантов) матричного транспаранта 4₄выбирается из условия обеспечения требуемой точности представления функции N* (λ, S, t_i). Через время, равное времени формирования заданной функции пропускания транспаранта 4₄, с выхода элемента задержки 3₁снимается сигнал, запускающий импульсный источник излучения 4₁.

С выхода источника 4₁ снимается оптический импульсный сигнал интенсивности N² усл.ед. который через разветвитель 4₂ из N ответвлений поступает на транспарант 4₃, функция пропускания которого обеспечивает формирование на его выходе светового потока с распределением интенсивности, пропорциональным ρ_o (λ)˙N Данный поток поступает на вход разветвителя 4₆, на выходе которого разветвляется на N потоков и поступает на вход транспаранта 4₄. Объединение выходных световых потоков столбцов матричного транспаранта 4₄ с помощью ответвлений разветвителя 4₇ обеспечивает на входах ОУ 4₅световой поток с распределением интенсивности, пропорциональным ρ_o(S)·N^*(λ,S,t_i)dS, т.е. ~ ρ₁(λ,t_i) Данный поток, проходя через ОУ 4₅ (обеспечивающие компенсацию ослабления светового потока за счет затухания и разветвления в N раз на входе транспаранта 4₄ и в два раза в разветвителе 4₈) по разветвителю 4₇ поступает на вход разветвителя 4₈ и на вход транспаранта 4₄, обеспечивая в последующем аналогично формирование второго приближения ρ₂ (λ -t_i), третьего ρ₃ (λ,t_i) и т.д.

С выхода разветвителя 4₈ через некоторое определенное (гарантирующее требуемую точность) время снимается световой поток с распределением интенсивности ρ_к(λ, t_i)≈ ρ(λ, t_i), который поступает через электрооптические модуляторы 5₁, 5_N на входы фотоприемников 7₁-7_N, включенные к данному моменту сигналом с выхода элемента задержки 3₃.

В модуляторах 5₁,5_N происходит умножение интенсивности светового потока (ρ (λ, t_i) на функцию ρ (ζ / λ, t_i), формируемую в ОФП 6₁,6_N при появлении на выходе ключа 2_о сигнала измерения ζ (наличие элемента задержки 3₂ синхронизирует появление информационных и управляющих сигналов модуляторов 5₁,5_N за счет появления сигнала ζ_iна входах ОФП в требуемый момент времени. В ОФП 6_m формируется значение ρ (ζ / λ_m, t_i), число N выбирается из условия обеспечения требуемой точности). С выходов фотоприемников 7₁,7_N снимается вектор-сигнал, пропорциональный функции ρ (λ, t_i) ˙ρ (ζ / λ, t_i), который, поступая на входы вычитаемого линейного блока вычитания 8, формирует на его выходе вектор-сигнал, пропорциональный С- ρ (λ, t_i)˙ρ (ζ / λ, t_i ).

Сигналы с выходов блока 8 поступают на входы СМС 9 и управляющие входы (входы задания уровня) компараторов 10₁,10_N.

Так как с выхода СМС 9 снимается сигнал, равный S mn [C ρ(λ, t)ρ(ζ/λ, t)] то на выходах всех компараторов, кроме одного, соответствующего этому же минимальному сигналу, формируются нулевые сигналы. Таким образом, сигналы на выходах компараторов 10₁,10_N образуют позиционный код значения λ соответствующего S или максимуму АПВ. Данный код поступает на входы ПКА 11, с выхода которого снимается аналогичное значение искомой оценки оптимальной по критерию максимума АПВ. С помощью данного устройства также можно оптимально оценивать сигналы даже при наличии у АПВ нескольких локальных максимумов.

Формула изобретения

СТОХАСТИЧЕСКИЙ ФИЛЬТР, содержащий источник излучения, выход которого оптически связан с выходами входного оптического разветвителя, выходы которого оптически связаны через неуправляемый линейный оптический транспарант с входами разветвления первого оптического разветвителя, выходы которого оптически связаны с входами строк управляемого матричного оптического транспаранта, выходы столбцов которого подключены к выходам объединенных разветвлений второго оптического разветвителя, выходы которого подключены к входам оптических усилителей, выходы которых подключены к входам разветвлений первого оптического и выходного разветвителей, отличающийся тем, что в него дополнительно введены генератор тактовых импульсов, группа ключей, три элемента задержки, группа электрооптических модуляторов, группа оптических функциональных преобразователей, входной ключ, группа фотоприемников, линейный блок вычитания, селектор минимального сигнала, группа компараторов и преобразователь позиционный код аналог, информационные входы ключей группы являются информационными входами фильтра, управляющие входы ключей группы объединены с входами всех элементов задержки и соединены с выходом генератора тактовых импульсов, а выходы подключены к управляющим входам управляемого матричного оптического транспаранта, группа выходов выходного оптического разветвителя подключена к информационным входам модуляторов группы, управляющие входы которых соединены с выходами соответствующих оптических функциональных преобразователей группы, управляющие входы которых объединены и соединены с выходом входного ключа, информационный вход которого является входом сигнала измерения фильтра, управляющий вход входного ключа соединен с выходом второго элемента задержки, выход первого элемента задержки подключен к управляющему входу источника излучения, выход третьего элемента задержки к объединенным управляющим входам фотоприемников группы, информационные входы которых соединены с выходами электрооптических модуляторов группы, а выходы фотоприемников группы подключены к входам вычитаемого линейного блока вычитания, входы уменьшаемого которого объединены и соединены с шиной задания постоянного потенциала, выходы линейного блока вычитания подключены к управляющим входам соответствующих компараторов группы и входам селектора минимального сигнала, выход которого подключен к информационным входам компараторов группы, выходы которых подключены к соответствующим входам преобразователя позиционный код аналог, выход которого является выходом фильтра.

РИСУНКИ

Рисунок 1