Способ фильтрации нестационарных сигналов

Авторы патента:

Ратников Евгений Александрович (RU)

Соколов Олег Владимирович (RU)

Окладнов Владимир Александрович (RU)

G06F17/17 - вычисление функций приближенными методами, например интерполяцией или экстраполяцией, сглаживанием, методом наименьших квадратов (интерполяция для числового управления G05B 19/18)

G01M7/00 - Испытание конструкций или сооружений на вибрацию, на ударные нагрузки (G01M 9/00 имеет преимущество)

Владельцы патента RU 2653584:

Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный научно-исследовательский институт авиационных систем" (RU)

Изобретение относится к метрологии, в частности к средствам измерения динамических процессов. Способ фильтрации нестационарных сигналов, представляющих реализации исследуемых динамических процессов с последующим выделением полезного сигнала, осуществляют следующим образом. Сначала нестационарный сигнал подают на вход схемы интегрирования, при этом после интегрирования сигнал подают на вход управляющего устройства, которое на своем выходе формирует напряжение в виде прямоугольного импульса, при этом указанное напряжение управляет работой фильтра, на выходе которого формируют заданную реализацию как в полосе прозрачности фильтра, так и в заданных временных границах, при этом фильтрация исследуемого сигнала выполняется одновременно с операцией стробирования. Техническим результатом предлагаемого изобретения является возможность поиска и обнаружения полезного сигнала, сопровождаемого широкополосным стационарным процессом, и последующее определение характеристик полезного сигнала. 6 ил.

Предлагаемое изобретение относится к области испытательной техники и может быть использовано при аппаратурном анализе динамических процессов.

Аналогом предлагаемого изобретения является способ обнаружения и обработки сложных сигналов [1], в котором применяется оператор обработки, позволяющий получить наибольшее отношение сигнал/шум на выходе схемы обработки при фиксированном отношении сигнал/шум на входе. При этом используют оператор интегрирования следующего вида:

где Z(t) - принятый сигнал в составе полезного сигнала и аддитивной помехи,

S(t) - передаваемый сигнал,

Т - длительность сигнала,

X(t) - неизвестный сигнал, который требуется обнаружить и определить.

Параметр E_ZX по физическому смыслу представляет собой взаимную энергию сигналов S(t) и X(t). После того как сигнал обнаружен, исходная реализация подвергается оптимальной линейной фильтрации, результатом которой является восстановление первоначальной формы полезного сигнала или определение его параметра.

Фильтры, выполняющие оптимальную линейную фильтрацию по критерию максимума отношения сигнал/шум, называются согласованными [2-4].

Практическая реализация способа обнаружения и фильтрации на основе материалов из указанных литературных источников затруднительна, так как литература содержит более всего сведения теоретического характера. Примеров практического осуществления способа и соответствующих устройств конкретной аппаратуры (в том числе серийного производства) также нет.

Аналогом-прототипом предлагаемого изобретения является «Способ фильтрации сигналов произвольной формы», описание которого изложено в патенте N2530211.

Данный способ выполняется посредством корреляционного приема сигналов, предварительно зарегистрированных на носитель, с последующим выделением составляющей полезного сигнала. При этом поиск полезного сигнала производится одновременно с запоминаниями мгновенных значений корреляционной функции и спектральной плотности. Это позволяет выявить отличия корреляционных и спектральных функций от признаков стационарного сигнала. При этом производится оценка амплитудно-частотного диапазона полезного сигнала. Указанная оценка используется при настройке фильтра, на вход которого поступает реализация исследуемого процесса.

Способ фильтрации в соответствии с прототипом не позволяет установить временные границы полезного сигнала. Это создает дополнительные погрешности в результате аппаратурной обработки исследуемых процессов, содержащих нестационарные составляющие (в частности, виброудара, сопровождающегося широкополосной случайной вибрацией).

Кроме того, осуществление способа в соответствии с прототипом требует применения корреляционного анализа как признака присутствия (или отсутствия) полезного сигнала. Это усложняет задачу обработки сложных динамических процессов.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что в способе фильтрации электрических сигналов, представляющих реализации исследуемых динамических процессов, выделение полезного сигнала в смеси с широкополосным стационарным шумом осуществляется посредством однократного или двойного интегрирования реализации исследуемого процесса. В результате на выходе схемы интегрирования создается сигнал, который параметрически указывает на присутствие нестационарной составляющей в составе исследуемого процесса. Сигнал с выхода схемы интегрирования передается на вход устройства, которое на своем выходе создает напряжение в виде прямоугольного импульса, причем передний фронт данного импульса формируется с упреждением относительно сигнала на выходе схемы интегрирования. Указанное напряжение управляет работой фильтра, полоса прозрачности которого пропорциональна амплитуде импульса [5]. Длительность сигнала на выходе фильтра равна длительности импульса. Таким образом, фильтрация исследуемого сигнала выполняется одновременно с операцией стробирования и в конечном итоге на выходе фильтра формируется реализация как в полосе прозрачности фильтра, так и в заданных временных границах.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является возможность выделения полезного сигнала (например, виброударного процесса), сопровождающегося широкополосным стационарным процессом, и последующего определения характеристик полезного сигнала.

На фиг. 1 показана блок-схема осуществления заявленного способа фильтрации.

Осциллограммы рабочих сигналов и результаты обработки исследуемых процессов показаны на фиг. 2-6. Приложения.

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

- интегрирующие усилители 1 и 2;

- перестраиваемый по частоте фильтр 3;

- управляющее устройство 4;

- блок 5 реализации и обработки.

Вход интегрирующего усилителя 1 по существу представляет собой вход блок-схемы, а его выход соединен с входом интегрирующего усилителя 2. С выходом интегрирующего усилителя 1 соединен также вход фильтра 3 и один из входов блока 5 регистрации и обработки.

Выход интегрирующего усилителя 2 соединен с пусковым входом управляющего устройства 4, выход которого подключен к управляемому входу фильтра 3 и к входу синхронизации блока 5 регистрации и обработки. Выход фильтра 3 соединен со вторым входом блока 5 регистрации и обработки.

Рабочее взаимодействие элементов блок-схемы фиг. 1 при обработке сигналов виброизмерительной системы происходит следующим образом.

Сигнал a₁(t) в размерности виброускорения поступает на входы интегрирующего усилителя 1, фильтра 3 и на первый вход блока 5 регистрации и обработки. Сигнал на выходе интегрирующего усилителя 1 имеет размерность скорости V(t). Если усилитель 2 работает в режиме интегрирования, то его выходной сигнал имеет размерность вибрационного перемещения S(t). Кроме того, возможна работа усилителя 2 в режиме прямого усиления входного сигнала. При этом сигнал на выходе усилителя 2 будет иметь размерность скорости V(t). Указанный сигнал соответственно в размерности виброскорости или вибросмещения с выхода интегрирующего усилителя 2 передается на вход управляющего устройства 4, предварительно настраиваемого на уровень виброскорости V(t) или вибросмещения S(t).

На фиг. 2 и фиг. 3 работа блок-схемы фиг. 1 соответственно в режиме вибросмещения и виброскорости. При этом верхние осциллограммы на фиг. 2 и 3 изображают сигнал a₁(t) на входе фильтра 3; нижняя осциллограмма фиг. 2 представляет сигнал на выходе интегрирующего усилителя 2 в режиме вибросмещения S(t), а нижняя осциллограмма на фиг. 3 показывает сигнал на выходе усилителя 2 в режиме скорости V(t).

Рабочий режим управляющего устройства 4 представлен на фиг. 4. Здесь на верхней осциллограмме показан сигнал U_упр на выходе управляющего устройства 4, на нижней осциллограмме - сигнал виброскорости соответственно на входе устройства 4. Сигнал U_упр представляет собой прямоугольный импульс, амплитуда которого определяет полосу прозрачности фильтра 3, на управляемый вход которого и поступает сигнал U_упр. Предварительная регулировка амплитуды напряжения U_упр производится в соответствии с техническим описанием фильтра 3.

Кроме того, в управляющем устройстве 4 регулировке подлежат также передний фронт импульса U_упр относительно расположения импульса скорости или смещения. Указанные параметры обозначены на графиках фиг. 4 следующим образом:

- передний фронт импульса U_упр с упреждением - Δt;

- длительность Т импульса U_упр.

Облик сигналов a₁(t) и a₂(t) соответственно на входе и на выходе фильтра 3 показан на фиг. 5. Фильтр 3 работал в режиме фильтра низких частот с полосой прозрачности 100 Гц. Длительность реализации виброудара, выделенного из широкополосного случайного шума, составила 30 мс, длительность собственно виброудара 21,2 мс.

Используемый в предлагаемом изобретении в качестве регистратора 5 цифровой осциллограф обеспечивает одновременный прием двух исследуемых сигналов и по выбору одну из пяти математических операций (быстрое преобразование Фурье, умножение, вычитание, дифференцирование, интегрирование).

Один из режимов такой обработки показан на фиг. 6 Приложения. Здесь по 1 каналу произведена запись реализации сигнала a₂(t) виброускорения на входе фильтра 3, по 2 каналу запись сигнала S(t) вибросмещения на выходе интегрирующего усилителя 2. Третья осциллограмма (верхний график) представляет первую производную от вибросмещения, т.е. виброскорость.

В осуществленном варианте предлагаемого изобретения использованы следующие аппаратурные средства:

- в качестве усилителей 1 и 2 - интегрирующий усилитель 00028 (Robotron Messelektronik);

- в качестве фильтра 3 - узкополосный фильтр 01013 (Robotron Messelektronik);

- в качестве управляющего устройства 4 - программируемый блок анализатора Photon (LDS-Dactron);

- в качестве блока 5 регистрации и обработки - цифровой осциллограф DSO6012 (Agilent Technologies).

Литература

1. В.А. Игнатов «Теория информации и передачи сигналов» М., «Советское радио», 1979, стр. 148-153.

2. И.А. Липкин «Основы статистической радиотехники, теории информации и кодировки» М., «Советское радио, 1978, стр. 131-135.

3. И.С. Гоноровский «Радиотехнические цепи и сигналы», ч. II, М., «Советское радио», 1986, стр. 252.

4. В.В. Солодовников «Введение в статистическую динамику систем автоматического управления» М., Л., Гос. издательство технико-теоретической литературы, 1957, стр. 285-288.

5. Узкополосный фильтр 01013. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. Изд. VEB Robotron Drezden, стр. 9-30.

Способ фильтрации нестационарных сигналов, представляющих реализации исследуемых динамических процессов с последующим выделением полезного сигнала, отличающийся тем, что нестационарный сигнал подают на вход схемы интегрирования, при этом после интегрирования сигнал подают на вход управляющего устройства, которое на своем выходе формирует напряжение в виде прямоугольного импульса, при этом указанное напряжение управляет работой фильтра, на выходе которого формируют заданную реализацию как в полосе прозрачности фильтра, так и в заданных временных границах, при этом фильтрация исследуемого сигнала выполняется одновременно с операцией стробирования.

Изобретение относится к области радиотехники. Технический результат – обеспечение восстановления изображений в радиолокационных системах дистанционного зондирования протяженных объектов за счет моделирования изображений в виде случайных полей на основе стохастических дифференциальных уравнений в частных производных второго порядка.

Способ выделения тренда нестационарного процесса с адаптацией интервалов аппроксимации // 2645273

Изобретение относится к области вычислительной техники, в частности к цифровой обработке сигналов. Техническим результатом является сокращение времени обработки.

Цифровое прогнозирующее устройство // 2643645

Изобретение относится к средствам обработки информации для прогнозирования стационарных и нестационарных случайных процессов и может быть использовано в цифровых системах контроля и наведения.

Способ определения шумов в измерительной информации чувствительных элементов инерциальных навигационных систем // 2638782

Изобретение относится к способам определения шумов в измерительной информации чувствительных элементов инерциальных навигационных систем с использованием метода вариации Аллана и может быть использовано при апостериорной обработке показаний инерциальных измерителей с целью получения качественных и количественных оценок основных шумовых характеристик чувствительных элементов инерциальных навигационных систем по результатам испытаний.

Цифровое прогнозирующее устройство // 2629641

Изобретение относится к средствам обработки информации для сглаживания и прогнозирования стационарных и нестационарных случайных процессов. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей путем увеличения реального времени прогноза в четыре раза при том же объеме буфера памяти предыстории, без какого-либо ущерба для точности прогноза.

Способ устранения шума на растровых изображениях на основе полной вариации // 2623898

Данное изобретение относится к области обработки изображений. Техническим результатом является эффективное устранение как гауссовского и пуассоновского шумов в отдельности, так и линейной комбинации этих шумов.

Адаптивное цифровое сглаживающее и прогнозирующее устройство // 2622852

Изобретение относится к средствам обработки информации для прогнозирования стационарных и нестационарных случайных процессов. Технический результат заключается в повышении точности прогноза на динамических режимах.

Адаптивное цифровое прогнозирующее устройство // 2622851

Изобретение относится к средствам обработки информации для сглаживания и прогнозирования стационарных и нестационарных случайных процессов. Технический результат заключается в удвоении времени прогноза при заданном аналитическом буфере (памяти) предыстории процесса.

Устройство обнаружения и устранения аномальных измерений // 2616568

Изобретение относится к области вычислительной техники. Технический результат - обнаружение и устранение аномальных измерений при фиксированном значении вероятности ложной тревоги.

Устройство для вычисления функциональных зависимостей // 2602989

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в специализированных устройствах обработки информации. Техническим результатом является повышение быстродействия при фиксированных точностных характеристиках и программно-аппаратурных затратах.

Способ виброакустических испытаний образцов и моделей // 2653554

Изобретение относится к испытательному оборудованию. Способ заключается в том, что на основании посредством по крайней мере трех виброизоляторов закрепляют переборку, представляющую собой одномассовую колебательную систему.

Способ исследования акустических характеристик объектов в заглушенной камере // 2652166

Изобретение относится к промышленной акустике. В заглушенной камере, в которой поглощается падающий на стены звук от испытуемого объекта, устанавливают испытываемый объект на плавающий пол, при этом заглушенную камеру размещают в отдельном здании с фундаментом, стенами, потолочным перекрытием, внутри которого, на автономном фундаменте, размещают ее стены, плавающий пол, на котором устанавливают испытуемый объект и легкое потолочное перекрытие, заглушенную камеру герметично облицовывают со всех сторон вновь разработанным и подлежащим испытанию звукопоглощающим элементом, при этом уровень звуковой мощности Lp испытуемого объекта определяют по результатам измерений среднего уровня звукового давления Lcp на его измерительной поверхности, за которую принимают площадь полусферы S, м2, т.е.

Стенд для виброакустических испытаний образцов упругих и шумопоглощающих элементов // 2652163

Изобретение относится к метрологии. В стенде для виброакустических испытаний образцов упругих и шумопоглощающих элементов, содержащем основание, на котором закреплена переборка, в качестве генератора гармонических колебаний использован эксцентриковый вибратор, расположенный на переборке, а на переборке установлена стойка для испытания собственных частот упругих элементов рессорных и тарельчатых виброизоляторов разной длины, геометрических параметров, а также разной величины масс, закрепленных на концах этих испытуемых элементов, при этом колебания массы, закрепленной на каждом упругом элементе, фиксируются индикатором перемещений.

Стенд для исследования акустических характеристик звукопоглощающих элементов в заглушенной камере // 2652159

Изобретение относится к акустике. В стенде для исследования акустических характеристик звукопоглощающих элементов в заглушенной камере, включающей в себя заглушенную камеру, в которой поглощается падающий на стены звук от испытуемого объекта, устанавливаемого на плавающем полу, при этом заглушенная камера размещается в отдельном здании с фундаментом, стенами, потолочным перекрытием, внутри которого, на автономном фундаменте, размещаются ее стены, плавающий пол, на котором устанавливается испытуемый объект и легкое потолочное перекрытие, при этом заглушенную камеру герметично облицовывают со всех сторон вновь разработанным и подлежащим испытанию звукопоглощающим элементом, при этом уровень звуковой мощности Lр испытуемого объекта определяется по результатам измерений среднего уровня звукового давления Lср на его измерительной поверхности, за которую принимают площадь полусферы S, м2, т.е.

Стенд для исследования акустических характеристик звукопоглощающих элементов в производственных помещениях // 2651983

Изобретение относится к промышленной акустике и может быть использовано для снижения шума привода машин, для облицовки производственных помещений и в других звукопоглощающих конструкциях.

Способ мониторинга технического состояния мостовых сооружений в процессе их эксплуатации (варианты) // 2650812

Изобретение относится к строительству в области неразрушающего контроля и предназначено для мониторинга технического состояния и диагностики пролетных строений и опор мостовых сооружений различного назначения и конструктивного исполнения в процессе их эксплуатации.

Стенд для ударных испытаний высокоскоростных объектов // 2650099

Изобретение относится к испытательной технике, в частности к ствольным баллистическим установкам для испытаний артиллерийских снарядов и их компонентов на стойкость к нагрузкам артиллерийского выстрела.

Способ мониторинга технического состояния строительных объектов с обработкой результатов, характеризующих состояние объекта мониторинга, с использованием мягких измерений // 2650050

Изобретение относится к области автоматизированных систем мониторинга технического состояния зданий и сооружений и может быть использовано при проектировании и эксплуатации зданий и сооружений.

Стенд для испытаний многомассовых систем виброизоляции // 2649631

Изобретение относится к оборудованию для испытаний приборов на вибрационные и ударные воздействия. Устройство содержит основание, на котором закреплена жесткая переборка с датчиком уровня вибрации, на которую устанавливают два одинаковых исследуемых объекта на различных системах их виброизоляции и проводят измерения их амплитудно-частотных характеристик.

Возбудитель колебаний с компенсированием нагрузки // 2649225

Изобретение относится к возбудителю колебаний с компенсированием нагрузки для динамического возбуждения испытуемого образца. Устройство включает базу, исполнительный механизм, арматуру с возможностью движения относительно базы, проведенную через линейное средство управления параллельно направлению импульсов возбуждения, и пневматическое средство компенсирования нагрузки, компенсирующее, по меньшей мере, силу тяжести арматуры и испытуемого образца.