Способ выделения полезного сигнала реализуемого процесса

Предлагаемое изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано при задании в лабораторных условиях вибрационных и акустических процессов и последующего измерения их параметров. Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что в способе выделения полезного сигнала при реализации процесса, включающем узкополосную фильтрацию этого процесса с последующим детектированием отфильтрованного сигнала и его сравнением с пороговой величиной, а также компьютерную обработку процесса, узкополосную фильтрацию производят путем автоматической частотной настройки соответствующего фильтра, причем частотную настройку заканчивают при достижении уровня выделенного сигнала пороговой величины, после чего формируют сигнал управления компьютерной обработкой процесса, а затем осуществляют широкополосную фильтрацию реализуемого процесса. Изобретение обеспечивает выделение полезных сигналов, обладающих когерентными признаками, в реализации стационарного случайного процесса, и аппаратурную обработку сигналов во временной и частотной области. Это положительно влияет на точность определения параметров сложных динамических процессов (в частности, вибрационных и акустических) при лабораторных исследованиях. 13 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано при задании в лабораторных условиях вибрационных и акустических процессов и последующего измерения их параметров.

Аналогом предлагаемого изобретения является способ аппаратурного спектрального анализа (см., например, Г.Я.Мирский Радиоэлектронные измерения, М., Энергия, 1969, стр.338-362, 404-410), при котором исследуемый сигнал пропускают через полосовой фильтр с узкой полосой пропускания, служащий для выделения узких участков исследуемого спектра, а фильтр последовательно настраивают на различные частоты.

Этот способ используют для обработки сигналов в частотной области, но для определения параметров реализуемых процессов как функций времени он не предназначен. При этом аппаратурное построение временной реализации выделенного полезного сигнала из смеси с широкополосным случайным процессом имеет существенное значение при лабораторных испытаниях.

Другим аналогом предлагаемого изобретения является способ обработки динамических процессов, преобразованных в электрические сигналы, основанный на применении средств компьютерной технологии (см., например, описание RT PRO Руководство пользователя. Редакция 6.0. web-сайт: www.lds-group.com).

Сущность известного способа состоит в том, что принятый аналоговый сигнал преобразуют в цифровую форму, после чего при помощи быстрого преобразования Фурье сигнал переводят из временной области в частотную и осуществляют ряд других операций, в частности возведение в квадрат, осреднение и масштабирование.

Данный способ обеспечивает обработку сигналов во временной и частотной области. При этом определяют корреляционные, спектральные и амплитудно-частотные характеристики сигналов, однако этот способ не обеспечивает выделение временных реализаций полезных сигналов из смеси с широкополосным случайным процессом, в частности при отношении уровней сигнала и шума меньше единицы. В реально существующих динамических процессах (в том числе вибрационных) эти уровни могут меняться в широких пределах.

Аналогом-прототипом предлагаемого изобретения является способ обнаружения сигналов (см., например, В.В.Васин и Б.М.Степанов Выходные сигналы радиотехнических устройств при оптимальной фильтрации. М.-Л., Энергия, 1967, стр.29-31, рис.13, стр.48-49, рис.21), который используют для обработки сигналов радиочастотного диапазона, в том числе в радиолокации.

Применение данного способа в области вибрации и акустики требует существенных изменений из-за различия диапазонов частот и особенностей преобразования сигналов. Кроме того, создание согласованного фильтра возможно только для сигналов конкретного вида, что также препятствует широкому применению данного способа.

Задача предлагаемого изобретения состоит в разработке способа, обеспечивающего выделение пороговых значений детерминированных сигналов (в частности, периодических и гармонических вибраций) из сопровождающего случайного процесса (также вибрационного) или из состава шумовых помех и измерения параметров этих сигналов.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что в способе выделения полезного сигнала при реализации процесса, включающем узкополосную фильтрацию этого процесса с последующим детектированием отфильтрованного сигнала и его сравнением с пороговой величиной, а также компьютерную обработку процесса, узкополосную фильтрацию производят путем автоматической частотной настройки соответствующего фильтра, причем частотную настройку заканчивают при достижении уровня выделенного сигнала пороговой величины, после чего формируют сигнал управления компьютерной обработкой процесса, а затем осуществляют широкополосную фильтрацию реализуемого процесса.

Предлагаемое изобретение обеспечивает выделение полезных сигналов, обладающих когерентными признаками, в реализации стационарного случайного процесса, и аппаратурную обработку сигналов во временной и частотной области. Это положительно влияет на точность определения параметров сложных динамических процессов (в частности, вибрационных и акустических) при лабораторных исследованиях.

На фиг.1 представлена блок-схема устройства, при помощи которой возможно осуществление заявляемого способа обработки и преобразования исследуемых

сигналов;

на фиг.2 приведен состав порогового устройства и его взаимосвязей.

На фиг.1-11 Приложения приведены диаграммы сигналов, поясняющие работу блок-схемы, представленной на фиг.1.

Блок-схема, фиг.1, содержит в своем составе следующие функциональные устройства:

- измерительный канал 1;

- узкополосный (частотно-избирательный) фильтр 2;

- преобразователь-детектор 3;

- пороговое устройство 4;

- фильтр предварительной обработки исследуемого сигнала;

- компьютерная система 6;

- индикатор 7;

- блок 8 управления частотой;

- бланкирующий каскад 9.

Вход измерительного канала 1 соединен с источником исследуемого динамического процесса (вибрационного, акустического, в частности). Выход измерительного канала 1 через фильтр 5 соединен с первым входом компьютерной системы 6 и первым входом узкополосного фильтра 2, второй вход которого подключен к выходу блока 8 управления частотой. Выход фильтра 2 соединен с входом детектора 3, своим выходом подключенного к первому входу порогового устройства 4. Первый выход порогового устройства 4 подключен к второму входу компьютерной системы 6 и к входу индикатора 7, а второй выход порогового устройства 4 соединен с входом бланкирующего каскада 9, выход которого подключен к входу блока 8 управления частотой.

Пороговое устройство 4 выполнено согласно блок-схеме фиг.2 и содержит в своем составе следующие функциональные элементы:

- триггер Шмитта 10;

- эмиттерный повторитель 11;

- ключ 12.

Вход триггера Шмитта 10 подключен к выходу детектора 3, а выход через эмиттерный повторитель 11 соединен с первым входом ключа 12. Второй вход ключа 12 соединен с выходом узкополосного фильтра 2, а выход ключа 12 соединен с вторым входом компьютерной системы 6 и входом индикатора 7. Кроме того выход эмиттерного повторителя 11 подключен к входу бланкирующего каскада 9.

В осуществленном варианте предлагаемого изобретения применены следующие аппаратурные устройства и элементы:

- в качестве измерительного канала 1 использован виброизмерительный интегрирующий усилитель 00028 производства фирмы Robotron (см. описание VEB Robotron-Messelektronik Otto Schön, Dresden 09.88);

- совместно с усилителем 00028 использован пьезоакселерометр КД-35 (см. тех. описание "Пьезоэлектрические датчики ускорения" VEB Metra und Freqnenztechnik Radebeui 10.81);

- в качестве узкополосного фильтра 2 использован фильтр 01013 опция ВР (см. тех. описание VEB Robotron-Messelektronik Otto Schön, Dresden 04.89,09.89);

- в качестве преобразователя детектора 3 использован индикаторный блок 02036 (см. тех. описание VEB Robotron-Messelektronik Otto Schön, 12.86);

- в качестве фильтра 5 предварительной обработки исследуемого сигнала использован фильтр 01013опция ТР (фильтр низких частот с регулируемой частотой среза);

- в качестве компьютерной системы 6 использована система Photon (см. руководство пользователя. Редакция 6.0. web-сайт: www.lds-group.com);

- в качестве индикатора 7 использован цифровой осциллограф серии 3000 (документ Д 3000-97005, март 2005);

- в качестве блока 8 управления частотой использовано устройство типа 04036 (см. тех. Описание 1558/88 VEB Robotron-Messelektronik Otto Schön, Dresden);

- бланкирующий каскад 9 выполнен в соответствии с принципами, изложенными в литературе по импульсной и цифровой технике (см. Я.С.Ицхоки, Н.И.Овчинников Импульсные и цифровые устройства, М., Советское радио, М., 1972, стр.516-519);

- триггер Шмитта 10, эмиттерный повторитель 11 и ключ 12 выполнены в соответствии с принципами, изложенными в литературном источнике (У.Титце, К.Шенк Полупроводниковая схемотехника, М., Мир, М., 1982, стр.39, 280, 288).

Взаимодействие элементов блок-схем фиг.1 и 2 при выполнении операций обработки и преобразования исследуемых сигналов происходит следующим образом.

Реализация исследуемого динамического процесса поступает на вход измерительного канала 1, который преобразует неэлектрический сигнал x(t) в электрический - U₁(t). Характерный облик сигнала U₁(t) в единицах виброускорения показывает диаграмма фиг.1 Приложения, а его спектральный состав - диаграммы фиг.2 и 3; при этом диаграмма фиг.2 построена в логарифмическом масштабе (т.е. в дБ по оси ординат), а диаграмма фиг.3 - в единицах спектральной плотности (где g - ускорение силы тяжести). Диаграммы фиг.1-3 Приложения соответствуют вибрационному случайному процессу, периодическая составляющая в составе сигнала U₁(t) отсутствует или ее величина незначительна.

Фильтр 2, принимая сигнал U₁(t), вырабатывает на выходе сигнал U₂(t, f), структура которого показана на фиг.4 Приложения. Сигнал U₂(t, f) поступает на преобразователь - детектор, который создает на своем выходе сигнал постоянного напряжения U₃, величина которого равна среднеквадратическому значению сигнала U₂(t, f). Сигнал U₃ поступает на первый вход порогового устройства 4, конкретно на вход триггера Шмитта 10. Триггер Шмитта 10, по существу, является пороговым элементом в составе устройства 4. По достижении сигналом U₃ определенного значения, величина которого устанавливается предварительной калибровкой, триггер Шмитта 10 изменяет свое первоначальное состояние, при этом на его выходе образуется сигнал постоянного тока U₃₁. Этот сигнал через эмиттерный повторитель 11 передается на первый вход ключа 12, на второй вход которого с выхода узкополосного фильтра 2 поступает сигнал U₂(t, f). В исходном состоянии сигнал U₃ находится ниже уровня срабатывания триггера Шмитта 10; при этом ключ 12 заперт и сигнал U₂(t, f) не проходит через ключ 12 на второй вход компьютерной системы 6. Отметим также, что сигнал U₅ на выходе ключа 12 равнозначен сигналу U₁(t), который, по существу, представляет собой узкополосную составляющую сигнала. При этом сигнал U₁(t) передается на первый вход компьютерной системы 6 через фильтр 5, который может использоваться в одном из рабочих режимов:

- линейное усилие (опция Lin);

- фильтр низких частот (опция ТР);

- фильтр высоких частот (опция HP);

- режекторный фильтр (опция BS);

- частотно-избирательный фильтр (опция ВР).

Реально используются опции Lin и ТР. При работе в режиме Lin сигнал U₄(t) на выходе фильтра 5 равнозначен сигналу U₁(t) на входе фильтра 5.

После того, как триггер Шмитта сработал, ключ 12 переходит в открытое состояние и сигнал U₅ появляется на выходе ключа 12. С выхода ключа 12 сигнал U₅ поступает на второй вход компьютерной системы 6 и на вход индикатора 7. Предварительная калибровка компьютерной системы 5 и индикатора-осциллографа 6 обеспечивает прием и обработку реализации исследуемого сигнала. Присутствие на экране индикатора 6 сигнала U₅ указывает на то, что система 5 принимает сигнал U₄(t) и производит его обработку.

Изменения настройки узкополосного фильтра 2 производится блоком 8 управления частотой. Вырабатываемый блоком 8 сигнал U₆ с выхода этого блока передается на второй вход фильтра 2. Величина сигнала U₆ определяет значение частоты, на которую настроен фильтр 2, работа блока 8 управления частотой может прерываться по потребности. При этом фильтр 2 остается настроенным на конкретную частоту.

Автоматическое прерывание работы блока 8 управления частотой выполняет бланкирующий каскад 9, на вход которого со второго выхода порогового устройства 4 поступает сигнал U₈ (см. фиг.1). Это происходит в тех случаях, когда превышено пороговое значение сигнала U₃ на первом входе порогового устройства 4, и произошло срабатывание триггера Шмитта 10. При этом сигнал U₃₂ (аналог сигнала U₈ на фиг.1) с выхода эмиттерного повторителя 11 передается на вход бланкирующего каскада 9. Последний под воздействием сигнала U₃₂ срабатывает и формирует на своем выходе сигнал U₇, который после передачи на вход бока 8 управления приводит к прерыванию работы блока 8. Это в свою очередь воздействует на узкополосный фильтр 2, оставляя его настройку неизменной.

При выполнении указанных выше условий система блок-схемы фиг.1 начинает обработку исследуемого сигнала в соответствии с программой.

Результаты обработки сигналов вибрационного процесса, содержащего совместно широкополосный стационарный процесс и периодическую вибрацию, показаны на фиг.5-11 Приложения. При этом диаграммы 5-7 получены в реальном времени (см. параметр "Data saved"), Спектральный анализ компьютерной системой выполнен с осреднением в частотной области, что создает возможность измерения дисперсии и среднеквадратического уровня широкополосного процесса (соответственно параметры Power и RMS). Диаграммы, представленные на фиг.8 и 9 Приложения, показывают временную функцию и спектральный состав (в узкой полосе) этого же сигнала, но с осреднением во временной области. Такой режим осреднения позволяет снизить до минимальной величины случайную компоненту совместного процесса. Данные измерений среднеквадратической величины и дисперсии выделенного сигнала приведены на диаграмме фиг.9 (параметры RMS и Power).

На диаграммах фиг.10 и 11 Приложения приведены диаграммы временной функции и спектра подобного сигнала, который предварительно был подвергнут обработке фильтром низких частот с полосой прозрачности 0-300 Гц. Эти результаты также получены в реальном времени.

Отношение сигнал/шум по сравнению среднеквадратических значений на диаграммах фиг.6 и 8 составляет 0,133.

Способ выделения полезного сигнала реализуемого процесса, включающий узкополосную фильтрацию этого процесса с последующим детектированием отфильтрованного сигнала и его сравнением с пороговой величиной, а также компьютерную обработку процесса, отличающийся тем, что узкополосную фильтрацию производят путем автоматической частотной настройки соответствующего фильтра, причем частотную настройку заканчивают при достижении уровня выделенного сигнала пороговой величины, после чего формируют сигнал управления компьютерной обработкой процесса, а затем осуществляют широкополосную фильтрацию реализуемого процесса.