Способ выделения нестационарного сигнала

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано для определения параметров нестационарных процессов, например вибрационных, при лабораторных исследованиях надежности различных изделий. Способ обработки сигналов посредством осреднения по ансамблю реализации, поступающих на вход компьютерной системы, дополнен операцией формирования синхросигнала, управляющего триггерным программным модулем. Кроме того, прием исследуемого сигнала и его последующая обработка производятся только в тех случаях, когда амплитуда сигнала равна или превышает предварительно установленное пороговое значение. При этом синхросигнал формируется путем преобразования реализации исследуемого сигнала. Преобразование осуществляется низкочастотной фильтрацией и стробированием. Технический результат заключается в возможности выделения нестационарных сигналов, амплитуда которых близка или незначительно превосходит среднеквадратический уровень стационарного случайного процесса. 10 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано для определения параметров нестационарных процессов (в том числе вибрационных) при лабораторных исследованиях надежности изделий современной техники.

Аналогом предлагаемого изобретения является способ определения стохастического среднего значения нестационарного процесса x(t). Этот способ теоретически рассмотрен в работе «Случайные колебания» (под редакцией С.Кренделла, М.: Мир, 1967, стр.81) и в работе «Измерения и анализ случайных процессов» (авторы Д.Бендат и А.Пирсол, М.: Мир, 1974, стр.398-400). Среднее значение m_x(t) на выходе линейной системы получается усреднением процесса x(t) по ансамблю реализаций:

m_x(t)=E[x(t)],

где Е - знак усреднения.

Практические рекомендации для осуществления этого способа содержит литература по электро- и радиоизмерительной технике (см., например Г.Я.Мирский. Электронные измерения. М.: Радио и связь, 1986, стр.275-276; А.А.Харкевич. Борьба с помехами. М.: Наука, 1965, стр.276).

Аналогом-прототипом предлагаемого изобретения является способ обработки нестационарных сигналов, применяемый в современной компьютерной системе Photon (см. «Руководство пользователя редакция 6.0 Анализ динамических сигналов. Web-сайт: www.lds-group.com»).

Система производит прием исследуемых сигналов (в том числе нестационарных) и их последующую обработку программными средствами с усреднением по ансамблю. При этом система обеспечивает синхронизацию принимаемых реализаций, выполняемую триггерным программным модулем (см. стр.85-88 Руководства пользователя). Работа триггерного модуля вполне удовлетворительна, если синхросигнал имеет упорядоченный характер (например, в виде импульса прямоугольной формы). Использовать в качестве синхросигнала исследуемый нестационарный случайный процесс в исходном облике невозможно, так как триггерный модуль при этом работает произвольно и четкая синхронизация невозможна.

Между тем осуществление способа в таком режиме желательно, так как при этом обеспечиваются прием и эффективная обработка нестационарных сигналов и определение параметров сигналов во временной и частотной области.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка способа приема и передачи на вход компьютерной системы нестационарных случайных сигналов (например, ударных импульсов совместно с широкополосной случайной вибрацией) и последующее измерение параметров этих сигналов.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что способ обработки сигналов посредством осреднения по ансамблю реализаций, поступающих на вход компьютерной системы, дополнен операцией формирования синхросигнала, управляющего триггерным программным модулем. Кроме того, прием исследуемого сигнала и его последующая обработка производятся только в тех случаях, когда амплитуда сигнала равна или превышает предварительно установленное пороговое значение. При этом синхросигнал формируется путем преобразования реализации исследуемого сигнала. Преобразование осуществляется низкочастотной фильтрацией и стробированием.

Использование предлагаемого изобретения способно обеспечить прием и передачу на вход компьютерной системы нестационарных сигналов, амплитуда которых равна или незначительно превосходит среднеквадратический уровень сопровождающего стационарного процесса и измерения их параметров. Сигналы с амплитудой существенно выше уровня случайного процесса также передаются на вход аппаратурной системы. Это положительно влияет на качество воспроизводимых в лабораторных условиях динамических процессов.

Технический результат заявленного способа состоит в выделении нестационарных сигналов предусмотренного уровня, что обеспечивает возможность их обработки существующей системой анализа.

На фиг.1 представлена блок-схема осуществления заявленного способа выделения нестационарных сигналов, а на фиг.2-10 показаны диаграммы сигналов, поясняющие принципиальные основы заявленного способа, и полученные при этом результаты.

Блок-схема на фиг.1 содержит в своем составе следующие аппаратурные и программные средства:

- измерительный канал 1 (пьезоакселерометр и измерительный усилитель);

- фильтр 2 низких частот;

- блок стробирования 3;

- приемный блок 4 компьютерной системы;

- триггерный программный модуль 5;

- генератор тактовых импульсов 6;

- возбудитель ударного импульса 7.

Входом рассматриваемой блок-схемы является входная цепь измерительного канала 1. В виброизмерительной технике к входу измерительного усилителя подключен пьезоакселерометр. Выход измерительного канала 1 соединен с входом фильтра 2 низких частот и с первым входом приемного блока 4 компьютерной системы. Выход фильтра 2 низких частот подключен к первому входу блока стробирования 3, выход которого соединен со вторым входом приемного бока 4 компьютерной системы. Приемный блок 4 и триггерный модуль 5 представляют собой составные части компьютерной системы Photon. Взаимосвязи приемного бока 4 и триггерного модуля 5 устанавливаются программными средствами.

Второй вход блока стробирования 3 соединен с выходом генератора 6 тактовых импульсов. Генератор 6 тактовых импульсов также входит в состав компьютерной системы Photon. Кроме того, выход генератора 6 подключен также к входу формирователя 7 нестационарного процесса (например, ударного импульса). Выход формирователя 7 через цепи силового оборудования соединен с измерительным каналом 1 (элементы силового оборудования на фиг.1 условно не показаны).

Взаимодействие элементов блок-схемы фиг.1 происходит следующим образом.

Исследуемый динамический неэлектрический процесс U₁(t), содержащий нестационарную компоненту, воздействует на чувствительный элемент измерительного канала 1 (в частности, на пьезоакселерометр). Измерительный канал 1 преобразует процесс U₁(t) в знакопеременный электрический сигнал U₂(t). Структура этого сигнала показана на фиг.2. Диаграмма сигнала U₂(t) представляет собой однократную реализацию длительностью 200 мс.

Сигнал U₂(t) с выхода измерительного канала 1 поступает на первый вход приемного бока 4 компьютерной системы и на вход фильтра 2 низких частот. Задача фильтра 2 заключается в том, чтобы снизить уровень стационарного процесса и по возможности выделить нестационарную компоненту (в частности, ударный импульс). С этой целью полоса ΔF пропускаемых фильтром 2 частот устанавливается предварительной настройкой на необходимую частоту среза. Характер сигнала на выходе фильтра 2 низких частот показан на фиг.3. Сравнение диаграмм фиг.2 и 3 указывает на реальное снижение по дисперсии и среднеквадратическому уровню случайного процесса. При этом амплитуда нестационарной составляющей процесса на выходе фильтра 2 превысила 4,5 g (см. на фиг.3 интервал 0,020-0,040 с). Облик одной из реализаций сигнала U₃(t, ΔF) длительностью 100 мс показан на фиг.4.

С выхода фильтра 2 низких частот сигнал U₃(t, ΔF) поступает на первый вход блока 3 стробирования. На второй вход блока 3 стробирования поступает сигнал U₅ с выхода генератора 6 тактовых импульсов. Под воздействием сигнала U₅, представляющего собой импульс прямоугольной формы, блок 3 стробирования срабатывает. Срабатывание блока 3 по существу представляет собой процесс его отпирания, вследствие чего сигнал U₃(t, ΔF) с первого входа блока 3 проходит на выход. При этом блок 3 стробирования срабатывает с задержкой, величина которой регулируется. Регулируется также в определенных пределах и длительность временного промежутка, в течение которого блок 3 стробирования пропускает сигнал с первого входа на выход. Структура сигнала U₄ на выходе блока 3 стробирования показана на фиг.5. Диаграммы фиг.4 и 5 получены в реальном времени. По существу сигнал U₄ представляет часть сигнала U₃ во временном промежутке 10-50 мс. С выхода блока 3 стробирования сигнал U₄ поступает на второй вход блока 4 компьютерной системы, где происходит взаимодействие сигнала U₄ с триггерным программным модулем 5 компьютерной системы. Это взаимодействие имеет два следующих отличительных признака.

1. Триггерный модуль 5 срабатывает, обеспечивая прием реализаций входных сигналов только в тех случаях, когда амплитуда сигнала U₄ на выходе блока 3 стробирования достигнет предварительно установленного порогового значения. Величина порога регулируется при подготовке программы триггерного модуля 5.

2. Триггерный модуль 5 срабатывает с упреждением относительно момента времени, при котором амплитуда сигнала U₄ на выходе блока 3 стробирования достигнет пороговой величины. Упреждение устанавливается также регулировкой при подготовке программы триггерного модуля 5.

Первый указанный отличительный признак обеспечивает прием компьютерной системой только тех исследуемых нестационарных сигналов, амплитуда которых равна или превышает установленный порог.

Второй отличительный признак обеспечивает регистрацию исследуемых нестационарных сигналов с момента, предшествующего возникновению процесса на установленную величину упреждения. Этим обеспечивается неискаженное воспроизведение реализации исследуемого сигнала, в том числе весь характер переднего фронта.

Сигнал U₅ с выхода генератора 6 тактовых импульсов поступает также на вход возбудителя 7 нестационарного процесса (в частности, формирователя удара). Таким образом действие блока 3 стробирования и возбудителя 7 синхронно задается от одного источника - от генератора 6 тактовых импульсов.

Результаты применения заявленного способа показаны на фиг.6-10. На фиг.6 представлен усредненный по ансамблю из 20 ударный импульс в сопровождении широкополосной случайной вибрации, а на фиг.7 и 8 - спектральная плотность и корреляционная функция этого ударного импульса.

На фиг.9 показаны реализации двух сигналов одновременно. Зависимость input 1(t) показывает облик однократной реализации, в составе которой присутствует также ударная компонента. Зависимость AVG input 2(t) показывает усредненную по ансамблю из 11 реализаций ударную компоненту, полученную путем обработки фильтром 2 низких частот и блоком 3 стробирования. График наглядно показывает, что амплитуда удара меньше среднеквадратического уровня случайного процесса. Частота среза фильтра была установлена равной 140 Гц, длительность стробирования 30 мс. Отдельно усредненная зависимость AVG input 2(t) показана на фиг.10.

Полученные результаты наглядно показывают, что заявленный способ работоспособен также в условиях, когда уровень шума выше амплитуды полезного сигнала.

Способ выделения нестационарного сигнала, включающий проведение усреднения ансамбля реализации этого сигнала с синхронизацией каждой реализации при ее введении в систему обработки, отличающийся тем, что синхросигнал формируют путем низкочастотной фильтрации с последующим стробированием каждой отдельной реализации, а выделение нестационарного сигнала производят только в случае, когда его амплитуда равна или превышает заранее установленное пороговое значение.