Устройство для магнитно-импульсной обработки деталей

 

асб описАВ"й

ИЗОБРЕТЕИИ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ

Союз Советских

Социалистических

Республик

0251 (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 09.04.81(21) 3270928/1 с присоединением заявки Ì9(23) Приоритет—

Опубликовано 3010-82- Бюллетень

Дата опубликования описания 301

R 23/ОО

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий

621.317. (088.8) (72) Авторы изобретения

А ° А.Адаменко, И.В.Барышев, Л.A.Êðàñíîâ и И Г Ноэдрин

1 (71) Заявитель

Харьковский ордена Ленина авиационный институт им. Н.Е. Жуковского (54) АЦАПТИВНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛА

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано в радио- и гидролокационных системах траекторных измерений, где для определения параметров движения излучающих объектов в условиях ограниченной априорной информации о динамике их движения используется связь этих параметров с параметрами принимаемого сигнала — фазой, часто- той и др.

Известно устройство для измерения частоты (периода) сигналов, содержащее последовательно соединенные счетчик чисел, соответствующих моментам нуль-пересечений, умножитель и сумматор, счетчик числа нуль-пересечений, вход которого соединен с первым входом счетчика чисел, соответствуккцих моментам нуль-пересечений, генератор эталонных меток времени, соединенный выходом с вторым входом счетчика чисел, соответствующих моментам нуль-пересечений, блок вычитания, ячейку памяти и делитель,при этом выход счетчика числа нуль-пересечений и первый выход ячейки памяти подсоединен к входам блока вычитания, выход которого соединен с вторым входом блока умножения, второй выход ячейки памяти и выход сумматора подсоединен к входам делителя, поток нуль-пересечений исследуемого сигнала поступает на объеди.ненные входы счетчика чисел, соответствующих моментам нуль-пересечений и счетчик числа нуль-пересечений Е11.

Однако, при несоответствии динамики движения излучающего объекта принятой модели, точность измерения ухудшается — появляется неизвестная систематическая ошибка, которая по величине может значительно превосходить уровень флюктуационной составляющей ошибки измерения. Следовательно, применение данного устройства в практике траекторных измерений ограничено, так как точность измерения периода сигнала, определяющего относительный доплеровский сдвиг, а следовательно и скорость движения объекта,.в значительной мере зависит от динамики движения объекта.

Известно также устройство для измерения периода сигналов и их прои з водных, содержащее последовательно соединенные блок прореживания нульпересечений и формирователь чисел, соответствунхцих моментам нуль-пере970251

3 ф сечений, счетчик числа нуль-пересе- блока сравнения соединена с выходачений, вход которого соединен с вы- ми блока памяти, а ее выход подсоеходом блока прореживания нуль-пере- динен к входу блока управления, досечений, решающий блок, накапливаю-,полнительно введены последовательно щий сумматор, блок сравнения, эле- соединенные формирователь статистик мент ИЛИ, буферный регистр и ячейку 5 (статистических сумм), блок матричпамяти, при этом входы накапливающе- ного умножения, формирователь отного сумматора подсоединены к выходам шения сигнал-шум и второй блок формирователя чисел „соответствую- сравнения, выходы которого подсоедищих моментам нуль-пересечений, выхо- иены к входам решающего блока, входы ды накапливающего сумматора подсое- 30 формирователя статистик соединены с динены к входам буферного регистра,, выходами формирователя чисел, соотвыходы которого соединены с входами ветствующих моментам нуль-пересечерешающего блока, выходы счетчика ний, выходы блока матричного умножеЧисла нуль-пересечений соединены с ния также подсоединены к соответствупервой группой входов блока сравне- 5 юшим входам второго блока сравнения ния, к второй группе входов которо- а вторая группа выходов формироватего подсоединена первая группа выхо- .. ля статистик соединена с второй дов ячейки памяти, вторая группа вы- группой входов формирователя отношеходов ячейки памяти соединена с ния сигнал-шум, выходЫ блока памяти соответствующими входами элемента .подсоединены к соответствующим вхоИЛИ, выход которого подсоединен к дам формирователя статистик, блока

2О управляющему входу буферного регистра, матричного умножения, формирователя поток нуль-пересечений поступает отношения сигнал-шум и решающего на вход блока прореживания нуль- блока, управляющие входы которых пересечений. соединены с выходами блока управлеЭто устройство обладает большими,.ния, поток исследуемых нуль-и ре25 е ф нк иональными возможностями по сечений фазового сигнала поступает у кц н л сравнению с первым, так как позволяет на вход блока прореживания у ьустранить смещения оценки периода . пересечений. и начальной случайной фазы сигналов, На фиг. 1 приведена структурная обусловленные ускорениями объекта на ЗО электрическая схема предлагаемого . интервале наблюдения, и измерить . адаптивного измерителя параметров производную периода $2 j сигнала; на фиг.2-5 даны варианты

Существеннным недостатком такого выполнения с помощью элементов цифроустройства является низкая точность вой вычислительной техники-схем форв условиях ограниченной априорной 35 мирователя статистик блока матричинформации о динамике. движения объек- ного умножения, формирователя отнота по сравнению с точностью, когда щения сигнал-шум и блока сравнения степень полинома выбрана по методу соответственно. наименьших квадратов из условия ми- Измеритель содержит последоватенимума суммарной ошибки (флюктуаци- gO льно соединенные блок 1 прореживаонной и динамической). Этот недоста- ния нуль-пересечений .и формироваток может быть преодолен в адаптив- тель 2 чисел, соответствующих моменном устройстве, которое по принятому. там нуль-пересечений, счетчик 3 чиссигналу в сложившейся помеховой об- ла нуль-пересечений, вход которого становке, выбирает необходимую сте- (45 соединен с выходом блока 1 прореживания нуль-пересечений, формироваЦель изобретения — повышение точ- тель 4 статистик, первый блок 5 сравности измерений параметров сигнала, нения, блок 6 матриЧ о у мат ичного умножения, излучаемого движущимся объектом,при блок 7 памяти, формиро а о ми ователь 8 отноограниченной априорной информации

50 шения сигнал-шум, блок у р м блок 9 управления, о динамике движения объекта.,блок 10 сравнения и ре а щи ешаю и блок 1 1 .

Поставленная цель достигается тем, Поток исследуемых нуль-пересечений что в известное устройство, содержа-, сигнала поступает на в од щее последовательно соединенные блок 1 прореживания нуль-пересечений, выпрореживания нуль-пересечений и числа н ль-пересечермирователь чисел, соответствующих ний подсоединены к пер о ру

55 н ны к пе вой группе ментам нуль-пересечений, счетчик входов первого блока р ка 5 с авнения и к числа нуль-пересечений, вход которо- адресным входам бло а лока 7 памяти, втого соединен с выходом блока прорежи- рая группа выходов п р ов пе вого блока 5 вания нуль-пересечений, первый блок сравнения соединена д иена с выходами блока сравнения, блок памяти, блок управ- 60 7 памяти, à ее выход подсоединен к ления и решающий блок, причем выходы входу блока 9 управления, выходы косчетчика числа нуль-пересечений под- торого также подсоединены к управлясоединены к первой группе входов блока сравнения и к адресным входам щего блока 11, выходы Фоомирователя блока памяти, вторая группа входов . 65 2 чисел, соответствующих моментам

97025 1 нуль-пересечений, соединены с входами 13 формирователя 4 статистик, к вторым входам 14 которого подсоединены соответствующие выходы блока 7 памяти, а к управляющим входам 15 соответствующие выходы блока 9 управления, первая группа выходов 16 формирователя 4 статистик подсоединена к входам блока б матричного умножения, вторая группа выходов 17 формирователя 4 статистик соединена с )( входами 18 формирователя 8 отношения сигнал-шум, вторая группа входов 19 блока б матричного умножения подсоединена к соответстнующим выходам блока 7 памяти, управляющие входы 15

20 блока б матричного умножения соединены с соответствующими выходами блока 9 управления, выходы 21 блока б матричного умножения соединены с входами 22 формирователя 8 отноше- 2О ния сигнал-шум, управляющие входы 23 которого подсоединены к выходам блока 9 управления, а вторые входы 24 к соответствующим выходам блока 7 памяти, две группы выходов 25 и 26 р5 формирователя 8 отношения сигналшум подсоединены к входам вторичного блока 10 сравнения, входы 27 которого соединены с выходами 21 блока б матричного умножения, выходы 28 вто-, ЗО рого блока 10 сравнения подсоединены к входам решающего блока 11, к соответствующим входам которого также подсоединены выходы блока 7 памяти.

Измеритель содержит множители 35

29,34 и 41 для двух чисел, кнадраторы 31 и 38, накапливающие сумматоры 30,32,35 и 39, оперативные запоминающие устройства 33,36 и 42, коммутатор 37 ячейку 40 вычитания, I

40 ячейку 43 сравнения двух чисел, многоразрядный ключ 44.

Предлагаемый адаптивный измеритель параметров сигнала работает следующим образом.

Принимаемая от движущегося иэлу- 45 чающего объекта смесь сигнала с амплитудой Sä, частотой Е и полной фазой Q(t) и шума п(t) имеет вид.и(t) Spcos(Mft + V(t) j + n(t) (>) причем основную информационную нагрузку н сигнале несет полная фаза

9()=V.+и (t-,)+ (-с. ) .. °, (2) где щ — доплеровская частота, характеризующая радиальную скорость источника;

e - производная доплеровской

I частоты, пропорциональная ускорению наблюдаемого объекта; начальный момент времени .

Из принимаемой смеси сигнала и шума после узкополосной фильтрации где © — случайная нормальная величи1k на с нулевым средним и дисперсией

G .Коэффициенты полинома (3) непосредственно связаны с интересующими нас параметрами сигнала известными соотношениями.

Частота сигнала

f („) т с„) (4) Период

6Т (t„) Т „-Тк а(+6 (xi<)k i ° (q) Производная частоты () = -ьт(Ск)/т (С„) (6) — л ЛгДе Т(1.к)=4!I+i 1 к= (1 (2K+1)4 (3K+3K (7)

+1ИЪ4

Фаза сигнала н заданный момент времени

v H l = и + f 8 а ) It -t o I т — It -1 а

E (о ) где t = с(о

B известных устройствах формирование оптимальной оценки значений коэффициентов о7 =Па(о iс,...o(Ilnpu выбраннйй степени полинома производится методом наименьших кнадратов.

Для получения наивысшей точности необходимо подбирать степень аппроксимирующего полинома, что связано с определением коэффициентов поЛинома по ходу вычислений и значительным усложнением вычислителя и уменьшением его быстродействия.

Для упрощения технической реализации лучше аппроксимировать временную последонательность нуль-пересечений (t,,1,..., t д„,„ ) с помощью полиномов Чебышева фМ 1

5 Ч ;(к>, rPe" 1 (<) =-> 3 1 1 (10) формируется временная последователь= ность нуль-пересечений, которая является входным сигналом для адаптивного измерителя. Так как соседние по времени значения последовательности нуль-пересечений могут быть коррелиронанными, то в блоке 1 прореживания нуль-пересечений формируется поток статистически независимых нулей процесса делением входной импульсной последовательности в р раз . Отсчеты времени, соответствующие моментам выпадения некоррелированных нуль-пересечений, формируются н блоке 2. Дальнейшая обработка входного сигнала производится в предположении, что моменты нуль-пе- ресечений аппроксимируются номиналом степени m

1Ц» (, (3) 970251 с у слави ем ор то гон ал ь но сти х ч„(к)ч ;(к) =

Нетрудно определить связь между коэффициентами вырах<ений (3) и (10) при условии (11)

О=TOO 3"О1 Л " + У ОГпр11п

А < = 3 М.P + " 71Ю Г юи

<л „з. 4 (g) а, следовательно, и между коэффициейтами „ полинома Чебышева и параметрами сигнала. Адаптация измерителя параметров сигнала к динамике движения объекта состоит в определении оптимального числа членов разложения (9) с использованием метода наименьших квадратов

Значения „., минимизирующие условие (14), определяются выражением, которое с учеФом (10) имеет вид йл о 3оо к

-гг п м n N л 1 610 . < + 11 " .К п цп"

> -<(no > к Tnw "-1 к.

-Н -Щ (44) Основной операцией над числами, соответствующими моментам выпадения некоррелированных нуль-пересечений, которые формируются в блоке 2, явля-, ется процедура формирования достаточг<л д л л ных статистик 1Ск, 2 К к, ° Х К +г< к

-H .Полученные статистики в соответствии с (14) в блоке матричного умножения умножаются на коэффициенты ; .

Для составления правила адаптации используют суммарную ошибку при аппроксимации полиномами Чебышева временной последовательности нуль-пере- сечений

,(1 )

<Х(4,-.Х „Ч „.(к)) =.X „. +we . где Go — дисперсия флюктуаций нульпересечений;

M — действительная степень полинома, описывающего информационную последовательность С t1 р ° е ° t

Очевидно, что при увеличении числа членов разложения динамическая ошибка уменьшается каждый раз на ; 2.

Однако одновременно возрастает флюктуационная ошибка на (70 .

Введем следующее правйло учета в разложении (12) коэффициентов лг.

1„, p () (18)

Я 2 где Х (1) — квантиль Х распределения с одной степенью свободы при заданной вероятности р.

Таким образом, числа <„, соответствующие моментам выпадания нульпересечений, сформированные в блоке

2, поступают в формирователь 3 статистик на объединенные входы m+1 умножителей 29 и квадратора 31. Одновременно с этим числа из счетчика числа нуль-пересечений 3 поступают на адресные входы блока 7 памяти,из которого вызываются числа 1, k k

»" и подаются на соответствующие вторые входы умножителей 29. В результате на выходе первого умножителя формируется числовая последовал л тельность С„, С<,..., t г+1, а на выходе m+1-ro умножителя 29 формил руется последовательность t 2 1., 3 С,, И <, . На выходе квадра«и л тора 31 по мере поступления чисел и

С » формируется последовательность

Л1 ЛХ Л лд

Сд, С ..., t»... Полученные последовательности подаются на вхо- . ды соответствующих накапливающих сумматоров 30 и 32, работа которых тактируется блоком 9 управления. К концу выборки из (2И+1) нуль-пересечений на выходах m+1 сумматоров . и к

30 накапливаются статистики,к, и л n

Х Kt к, "„„ IC 4«,а на выходе .Накапливающего сумматора 32 - статистика

Если выполняется условие p -» 7 О

1 о (10), то слагаемое P„" Ф„(к ) в разложе. нии учитывается. В противном случае слагаемое отбрасывается. Введенный критерий качества полиноминальной аппроксимации предполагает реализацию второй основной процедуры — формирование отношения сигнал-шум, пропор;ционального диспер<ии флюктуаций нуль-пересечений Go и сравнения коэф1О фициентов разложения полиномов Чебышева с порогом,,равным бо . Целесообразно формировать отношение сигналшум по результатам измерений обрабатываемой выборки нуль-пересечений.

f5 Дпя этого необходимо реализовать процедуру определения О„ в соответствии с правилом

5o=(2N

-Н " 1=О и использовать полученное значение дисперсии в качестве значения порога для определения истинной динамической модели движения наблюдаемого объекта. Ввиду того, что используют25 ся не истинные значения коэффициентов Pi а их оценки ф„., порог во втором блоке сравнения устанавливается из условия

970251

Ялам .4Ч к . В конце выборки на выходе первого блока сравнения появляется импулвс, задающий длительность интервала наблюдения. Указанный импульс поступает на вход блока 9 управления и вырабатывает команду на запрещение поступления чисел, соответствующих моментам нуль-пересечений, в блок формирования статистик и команду на запись полученных статистик в оперативное запоминающее устройство 33 в блоке 4 формйрования статистик. Затем по команде блока 9 управления из блока 7 памяти элементы матрицы " последовательно посту-15 пают в блок 6 матричного умножения, где в соответствии с выражением (17) умножаются на вызванные из оперативного запоминающего устройства 33

2Î элементы вектора статистик, XK 1„. полученные в накапливающем сумматоре

35 в соответствии с (14) сумы представляют собой элементы вектора оцел нок полиномов Чебышева p „, которые g5 по команде блока 9 управления. переписываются в оперативное запоминающее устройство 36. Далее по команде блока управления указанные коэффициенты из оперативного запоминаю-ЗО ( щего устройства 36 блока 6 матричного умножения последовательно поступают в формирователь 8 отношения сигнал-шум, где через коммутатор 37 поочередно подаются на квадратор 38, .35 на выходе которого последовательно формируются квадраты оценок козффицилп ентов разложения р и переписывают1 ся в оперативное запоминающее устройство 42. По команде блока управления данные числа также суммируются в 4О накапливающем сумматоре 39, с выхода ъ которого число Х Р- подается на пер1=О вые входы блока 49 вычитания, а на вторые входы его вызывается число

45 н ., с выходов 17 оперативного эак поминающего устройства 33 формирователя 4 статистик. На выходе блока 40 вычитания формируется разность г

14 ла YH Л 2.1

Y.+@-.X. 1ъ 1 . Разность умножаетн <--о ся в блоке 41 умножения на число (2N+1-m) " 1 р(1), поступающее из блока 7 памяти, и переписывается в оперативное запоминающее устройство 42. С выхода 25 формирователя

8 отношения сигнал-шум число g gp (q) подается на первые входы второго блока 10 сравнения в качестве опор- 60 ной величины, с которой в нем сравниваются оценки коэффициентов разлол 1. жения „, поступающие на вторую группу входов второго блока сравнения с выходов 26 формирователя 8 g5 отношения сигнал-шум. При выполнении неравенства (18) второй блок сравнения чисел вырабатывает управляющий единичный потенциал, открывающий многоразрядный ключ 44, который пропусл кает числа ; на входы решающего блока 11. Если неравенство не выпол- няется, второй блок сравнения чисел вырабатывает нулевой управляющий потенциал, 3апирающий многоразрядный ключ 44, запрещая прохождение числа в решающий блок 11. Таким образом, путем сравнения во втором блоке 10 сравнения флюктуационной и динамической составляющих ошибки измерения принимается решение о характере динамики движения наблюдаемого объекта и о степени полинома разложения. В решающем блоке 11 в соответствии с правилом (12) осуществляется переход от коэффициентов разложения по полиномам Чебышева и коэффициентам разложения алгебраического аппроксимирующего полинома (5), для чего по команде блока управления подаются числа, соответствующие элементам преобразующей матрицы (12), на выходе решающего блока 11 формируется вектор оценок параметров сигнала с(- = (/с р, сС„,... о -,„!/.

Формула изобретения

Адаптивный иэмеритель параметров сигнала, содержащий последовательно соединенные блок прореживания нульпересечений и формирователь чисел, соответствующих моментам нуль-пересечений, счетчик числа нуль-пересечений, вход которого соединен с выходом блока прореживания нуль-гересечений, первый блок сравнения, блок памяти, блок управления и решающий блок, причем выходы счетчика числа нуль-пересечений подсоединены к первой группе входов блока сравнения и к адресным входам блока памяти, вторая группа входов блока сравнения соединена с выходами блока памяти, а ее выход подключен к входу блока управления, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения параметров сигнала, излучаемого движущимся объектом, при ограниченной априорной информации о динамике движения объекта, дополнительно введены последовательно соединенные формирователь статистик, блок матричного умножения, формирователь отношения сигнал-шум и второй блок сравнения, выходы которого подсоединены к входам решающего блока, входы формирователя статистик соединены с выходами формирователя чисел, соответствующих моментам нуль-пересечений, выходы блока матричного умножения также подсоединены к соответст-

11

970251

12 г вувщим входам второго блока сравнения, а вторая группа выходов формирователя статистик соединена с второй группой входов формирователя отношения сигнал-шум, выходы блока памяти подсоединены к соответствующим входам формирователя статистик, блока матричного умножения, формирователя отношения сигнал-шум и решающего блока, управлякицие входы которых соединены с выходами блока управления, поток исследуемых нуль-пересечений сигнала поступает на вход блока прореживания нуль-пересечений.

Источники информации, принятые во внимание при экспертиэе

1. Авторское свидетельство СССР

Р 700842, кл.G 01 R 23/00, 1979.

2. Авторское свидетельство СССР по эаявке Р 2865396/18-21, Л980.