Способ выделения однократного сигнала на фоне помехи

(21) (22) (46) (71) им,. Двоегсчету филь Знэменско ДНОКРАТЕХИ ГОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗО К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ 3,04.905,11.92. Бюл, Р 42Спецсектор Института физики ЗемЮ. Ю, Шмидта(56) Г, Ханзел. Справочник по ртров, Пер, с англ./Под ред, А. Его. - М.: Сов, радио, 1974,(54) СПОСОБ РЕГИСТРАЦИИНОГО СИГНАЛА НА ФОНЕ ПО Изобретение относится к технике физического эксперимента. более конкретно - к технике выделения сигнала иэ помех.Способ предназначен для выделения полезного сигнала из помехи, превосходящей его во много раэ по амплитуде и длительностии.Способ может быть использован в технике физического эксперимента,Целью изобретения является повышение эффективности подавления помехи.Ниже приводится анализ, который является доказательством возможности достижения положительного эффекта при осуществлении изобретения,Обозначаем т 1 верхнюю частоту, т 2 нижнюю частоту в спектре полезного сигнала, Р - частоту помехи. Рассмотрим источники и величину погрешностей, возникающих при использовании для выделения полезного сигнала способа прототипа, т, е. с использованием фильтра-подавителя, настроенного нэ частоту Г.(57) Применение: изобретение может быть использовано в технике физического эксперимента, в исследовательской и разведочной геофизике. Сущность изобретения: способ состоит в том, что их входной смеси сигнал-шум выделяют помеху, вычисляют от нее производную и запоминают ее значение в момент прихода выделяемого сигнала, Затем вычисляют интеграл от производной помехи за период выделяемого сигнала и полученную величину вычитают иэ исходной смеси сигнала с шумом, что позволяет компенсировать помеху и выделить полезный сигнал, 1 ил,Если добротность фильтра-подавителя равна О, то помеха будет подавляться в 0 раз. Одновременно будут подавляться пектральные составляющие полезного сигнала, и тем сильнее, чем их частота ближе к частоте Г. Еслит 1 - О 12 - Р, то основная погрешность передачи полезного сигнала произойдет за счет искажения фильтромподавителем частоты 12. Если т 2 попадает в полосу фильтра-подавителя Ю = РИ, т. е.ЬРР - т 2- 2-, то искажение составляющей 2 по амплитуде будет не менее чем в 0,7 раза, т. е. на 70;ь. При совпадении частот Р и 12 составляющая будет подавлена в 0 раэ, что еще хуже. При 12-"г 1 также будет искажаться и составляющая 11, т, е. весь спектр полезного сигнала, т. к, промежуточные частоты также попадут в полосу фильтра-подавителя, При большом различии частот т 2 и Г, т. е, т 1/Р = 1 и М 1 (1) или1 (2) задача разделения становится тривиальной. Но при этом вовсе не обязательно, что Т 1-12 (3)и 1 может быть искажена, Если не соблюдается 1) или (2) или при соблюдении одного из этих соотношений не соблюдается (3), то выделение полезного сигнала с приемлемой погрешностью невозможно. Но даже при благоприятном для разделения соотношении частот полезного сигнала и помехи применение ЯС или 1 С фильтров приводит к фазовым искажениям полезного сигнала, причем зти искажения неодинаковы для различных его спектральных составляющих, что приводит, например, к недопустимому искажению формы сложного импульсного сигнала,В предлагаемом способе полученный сигнал в самом принципе не пропускают через частотозависимые цепи, чтобы исключить искажение его амплитуды и фазы,Пример применения способа для регистрации однократного сигнала с конкретными параметрами на фоне помехи позволяет проиллюстрировать приведенные выше доказательства,в защиту предлагаемого способа, Регистрируется однократный, импульсный сигнал сложной формы длительностью 5 мсек, Верхняя граничная частота в спектре сигнала - 32 Гц, нижняя - 3,1 Гц. Частота помехи равна 3 Гц и превышает по амплитуде полезный сигнал минимум в 30 раз. Применение аналоговых - активных, индуктивных или цифровых фильтров, на- .троенных на частоту помехи - ЗГц неприемлемо, т, к. недопустимо искажает форму регистрируемого импульса, Предлагаемый способ базируется на запоминании производной от помехи, За 5 мсек производная от трехгерцовой помехи изменяется незначительно и погрешность экстраполяции помехи при интегрировании производной не превышает 0,5. Операция вычитания дополнительной погрешности не вносит.Способ может быть реализован в устройстве, блок-схема которого приведена на фиг, 1.Устройство состоит из дифференциатора 1, ключа 2, конденсатора памяти 3, интегратора 4, сумматора 5. Поступающая на вход устройства помеха дифференцируется дифференциатором 1.В момент прихода полезного сигналаключ 2 размыкается и на конденсаторе 3 запоминается значение производной от помехи в этот момент. Это значение интегрируется интегратором 4, На его выходе получается напряжение помехи, экстраполированное по значению ее производной в момент размыкания ключа 2,Полученная величина помехи 1.лй суммируется на сумматоре с суметмой помехи и сигнала на протяжении интервала от 1 до с 2. Учитывая, что длительностьрегистрируемого процесса, равная длинеинтервала 12-11 мала по сравнению с периодом помехи Тл, считаем, что производная01.лИ за этот промежуток времени малоо Опизменяется, т. е,очень мала. На прак 01тике при длительности регистрируемого полезного сигнала 5 мсек и периода помехиоколо 300 мсек удавалось получить подавление помехи в 200 раз,Предлагаемый способ и реализующееего устройство могут использоваться в измерителях естественного магнитного, электрического полей и др, физических величин,когда требуется зарегистрировать кратковременное возмущение малой амплитудына фоне медленных вариаций большой длительности. Например, требуется зарегистрировать кратковременное возмущениеэлектрического поля, вызванное развитиемплазменного шнура разряда молнии на значительном расстоянии от места наблюдения. Амплитуда этого сигнала мала из-заудаленности, сам сигнал - кратковременный, а помеха - медленная вариация естественного электрического поля Земли, поамплитуде во много раз превосходит в данном случае интересующий нас полезныйсигнал, Начало регистрации четко определено - по переднему фронту световойвспышки, Оно может быть зарегистрировано любым фотоприемником на месте наблюдения.Устройство для регистрации импульсных магнитных полей на фоне низкочастотных магнитных вариаций большойамплитуды, реализующее предлагаемый способ, разработано, изготовлено и испытано вИнституте Физики Земли АН СССР. Предпринятые вначале попытки подавления помехи спомощью активных многозвенных фильтровне принесли успеха ввиду слабого подавления помехи и искажения сигнала.Технико-экономическая эффективностьзаявленного способа может быть оцененатолько косвенно, по степени повышения эффективности соответствующих измеренийпри физических исследованиях,Формула изобретенияСпособ выделения однократного сигнала на фоне помехи, состоящий в том, что изсмеси сигнал-помеха выделяют помеху и вычитают ее из смеси сигнал-помеха, о т л и1775690 Составитель Н.МихалевТехред М.Моргентал Редактор Т,Иванова Корректор Т.Палий аказ 4033 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СС 113035. Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат т", г. Ужгород, ул.Гагарин ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения эфФективности подавления помехи, вычисляют производную от помехи, запоминают ее значение в момент начала выделяемого сигнала, вычисляют интеграл от нее за период выделяемого сигнала и используютполученную величину при вычитании какзначение помехи.