Устройство для определения корреляционных и спектральных функций

Союз Советских Социалистических Республиксуаарственныб ком 3) итет ета Министров СССР Бюллетеньисания 20.04.78 681.323 (088.8(45) Дата опубликования Изобретение относится к средствам электроизмерительной техники и предназначено для адаптивного корреляционно-спектрального анализа нестационарных случайных процессов вида аддитивной суммы центрирован- ного шума и медленно изменяющегося неслучайного сигнала с априорно неизвестными параметрами.Устройство относится к адаптивным средствам корреляционно-спектральных измерений 10 параллельного и параллельно-последовательного действия и может использоваться в адаптивных информационно-измерительных радиотехнических и управляющих системах, а также автономно для анализа нестационар ных случайных процессов с априорно неизвестными параметрами. Известны устройства для измерения корреляционной функции, в которых автоматичес ки измеряются абсолютный интервал корреляции, время измерения корреляционной функции, полоса частотного анализа входных фильтров, адаптивные шаги параллельно или параллельно-последовательно измеря емых ординат корреляционной функции 11, а также устройство для измерения спектральной плотности. Известно также устройство, наиболее близкое по технической реализации 12. 30 Я ОПРЕДЕЛЕНИЯКТРАЛЬНЫХ ФУНКЦИ Это устройство для определения корреляционных и спектральных функций, содержащее блок формирования интервала, выход которого подключен к первым входам блока образования разности, второй вход которого является входом устройства, коррелометра блока временной развертки и блока управления, второй вход которого соединен со вторыми входами блока временной развертки, коррелометра и третьим входом блока образования разности, четвертый вход которого подключен к первым входам блока текущего усреднения и блока задания ошибок, к третьему входу коррелометра и выходу блока временной развертки, третий вход которого соединен с выходом коррелометра, а управляющий вход с первым выходом блока управления и с управляющими входами коррелометра и управляющего фильтра, первый вход которого соединен с выходом блока образования разности и вторым входом блока текущего усреднения, управляющий вход которого соединен со вторым выходом блока управления, третий выход которого подключен к управляющему входу блока формирования синусно-косинусных коэффициентов, выход которого соединен с четвертым входом коррелометра, пятый вход которого соединен с,выходом управляющего фильтра, третий вход блока управления соединен с первым выходом510 15 20 25 зо 35 40 45 50 55 60 65 блока текущего усреднения, второй выход которого подключен к входу блока формирования интервала, управляющий вход которого соединен с четвертым выходом блока управления и с управляющим входом блока задания ошибки, второй вход которого подключен к третьему выходу блока текущего усреднения, третий вход которого соединен с выходом блока задания ошибки, Недостатками аналогов и прототипа являются низкая помехозащищенность и низкая точность корреляционно-спектральных измерений нестационарных по математическому ожиданию случайных процессов в жестких условиях дефицита информации об основных параметрах. Это следует из отсутствия возможности решения задачи одновременно адаптивного выбора ряда основных параметров: абсолютных ошибок аппроксимации 6 - измеряемой корреляционной функции и б - неслучайного сигнала т(Ц; адаптивных шагов по задержке 1 Аг, 1; оптимального интервала Ыт аппроксимации сигнала т; текущего абсолютного интервала корреляции т, оптимальных значений верхних границ частотных поддиапазонов 1 Ь.фильтров; оптимальных границ формирования случайных пауз 1 Л, 1 о, т.Целью изобретения является повышениеточности и помехозащищенности корреляционно-спектральных измерений устройством с ограниченными аппаратурными возможностями широкого класса нестационарных случайных процессов с априорно неизвестными параметрами.Поставленная цель достигается за счетрешения задачи одновременного адаптивного выбора ряда основных параметров в процессе оптимальных измерений корреляционной функции и спектральной плотности. Аппаратурно для достижения поставленной цели в устройство введены дополнительно генератор случайных чисел, блок формирования случайных интервалов, блок выбора диапазонов частот, блок формирования частот и фаз и блок формирования участков аргумента, первый вход которого соединен с третьим выходом блока текущего усреднения, второй вход - с выходом блока формирования интервалов, входом генератора случайных чисел и первыми входами блока формирования случайных интервалов и блока формирования частот и фаз, второй вход которого соединен со вторыми входами блока формирования случайных интервалов, коррелометра, входом блока выбора диапазонов частот и с выходом блока формирования участков аргумента, управляющий вход которого подключен к четвертому выходу блока управления и управляющим входам блока формирования частот и фаз, блока формирования случайных интервалов, блока выбора диапазонов частот и генератора случайных чисел, выход которого подключен к третьему входу блока формирования случайных интервалов, выход которого соединен с третьим входом блока формирования частот и фаз, с шестым входом коррелометра, четвертым входом блока текущего усреднения и пятым входом блока образования разности, выход блока выбора диапазона частот соединен со вторым входом управляющего фильтра и с четвертым входом блока формирования частот и фаз, выход которого подключен к входу блока формирования синусно-косинусных коэффициентов и к седьмому входу коррелометра,На чертеже приведена блок-схема устрой.ства.Блок формирования интервала 1, выход которого подключен к первым входам блока образования разности 2, второй вход которого является входом устройства, коррелометра 3, блока временной развертки 4 и блока управления 5, второй вход которого соединен со вторыми входами блока временной развертки 4, коррелометра 3, третьим входом блока образования разности 2, четвертый вход которого подключен к первым входам блока текущего усреднения 6 и блока задания ошибки 7, к третьему входу коррелометра 3 и выходу блока временной развертки 4, третий вход которого соединен с выходом коррелометра 3, а управляющий вход - с первым выходом блока управления 5 и с управляющими входами коррелометра 3 и управляющего фильтра 8, первый вход которого соединен с выходом блока образования разности 2 и вторым входом блока текущего усреднения 6, управляющий вход которого соединен со вторым выходом блока управления 5, третий выход которого подключен к управляющему входу блока формирования синусно-косинусных коэффициентов 9, выход которого соединен с четвертым входом коррелометра 3, пятый вход которого соединен с выходом управляющего фильтра 8, третий вход блока управления 5 соединен с первым выходом блока текущего усреднения 6, второй выход которого подключен к входу блока формирования интервала 1, управляющий вход которого соединен с четвертым выходом блока управления 5 и с управляющим входом блока задания ошибки 7, второй вход которого подключен к третьему выходу блока текущего усреднения 6, третий вход которого соединен с выходом блока задания ошибки 7, первый вход блока формирования участков аргумента 10 соединен с третьим выходом блока текущего усреднения 6, второй вход - с выходом блока формирования интервала 1, входом генератора случайных чисел 11 и первыми входами блока формирования случайных интервалов 12 и блока формирования частот и фаз 13, второй вход которого соединен со вторыми входами блока формирования случайных интервалов 12, коррелометра 3, входом блока выбора диапазонов частот 14 и с выходом блока формирования участков аргумента 10, управляющийвход которого подключен к четвертому выходу блока управления 5, п управляющим входам блока формирования частот и фаз 13, блока формирования случайных интервалов 12, блока выбора диапазонов частот 14 и генератора случайных чисел 11, выход которого подключен к третьему входу блока формирования случайных интервалов 12, выход которого соединен с третьим входом блока формирования частот и фаз 13, с шестым входом коррелометра 3, четвертым входом блока текущего усреднения 6 и пятым входом блока образования разности 2, выход блока выбора диапазонов частот 14 соединен со вторым входом управляющего фильтра 8 и с четвертым входом блока формирования частот и фаз 13, выход которого подключен к входу блока формирования синусно-косинусных коэффициентов 9 и к седьмому входу коррелометра 3,Устройство работает следующим образом, Перед измерением по априорно заданному числу то параллельно измеряемых ординат АКФ в блоке формирования участков аргумента 10 выбирается, например, первый участок о, тд, т =тоЛто Начальный шаг Лто выбирается в блоке формирования интервала 1. В соответствии с тд по команде с выхода блока формирования участков аргумента 10 через вход в блоке выбора диапазона частот 14 выбирается первый диапазон частот Ль на который по команде с выхода блока 13 переключается через второй вход управляющий фильтр 8. В соответствии с тд также через второй вход в блоке формирования случайных интервалов 12 задается диапазон о, тд 1 случайных фаз (Лсрд;д). Нестационарный случайный процесс х по второму входу поступает в блок образования разности 2, формирующий на выходе разностный процесс Лсдх(Ц с интервалом Мо=ткпд видаЛсдх = х С+ И,) - х(Д, (1)С блока 2 процесс Лдддх поступает через первый вход управляющего фильтра 8 на пятый вход коррелометра 3 и непосредственно на второй вход блока текущего усреднения 6.Коррелометр 3 за Л циклов измеряет то ординат автокорреляционной функции (АКФ) на пеРвом Участке о, тджх по мУльтипликативному алгоритму:Я (-) = - М -Лс дх (Л, + ,) Лсддх Хй:дХ (Ио + с + Лфд,д), (2)где Р(т,; ) - д-ая ордината дс (т) дд-го (в данном случае 1-го) участка о, тд;д=о, то,Лсокд - Й-ая случайная пауза между (Й - 1)- ый и Й-ьдй циклами усреднения;тд - сдвиг по аргументу. 5 10 15 20 25 Зо 35 40 45 50 55 60 65 6Случайные паузы (Лсрдсд 1 формирует блокформирования случайного интервала 12 с выхода на вход шесть коррелометра 3, Дляэтого через первый вход в блок 6 с блокаформирования 1 поступает Лто, а через третий вход в блок 6 поступают случайные числа(5 ь 1 с выхода генератора случайных чисел11. Ограничение диапазона случайных пауз(Лсрд,д) до величины участка;о, тд) черезвторой вход осуществляет блок формирования участков аргумента 10,Параллельно с работой коррелометра 3 заУ циклов блок текущего усреднения 6 черезвторой вход измеряет начальную оценкусреднего значения разностного процесса.3 Ж1 Лд 1 х(И., + Лсо д). (3)Оценка (ошибка аппроксимации сигналат 1 Цбсо с третьего выхода блока 6 записывается через второй вход в блок задания ошибки 7.Ординаты АКФ (Р(тд;) 1 с выхода коррелометра 3 поступают через блок временнойразвертки 4 в блок образования разности 2через четвертый вход, который совместно сблоком текущего усреднения 6, блоком задания ошибки 7, блоком формирования интервала 4 определяют оценку шага Лтд,Лсд Л, зддп(1 Л 1 Р(Л ) 1 д +д д)(4)где Лтд, .;д, Лть - текущие оценки шагов,формируемые в блоке 1;ЛМ (Лтдс)- разностный процесс, формируемый в блоке 2 с интервалом Лтдд,Лто - шаг коррекции;ада- знаковая функция, определяемая в блоке 6.бдд=ул Рдо - абсолютная ошибка аппроксимации АКФ сс (т), формируемая по заданнойотносительной приведенной ошибке уа в блоке задания ошибки 7.Для этого нулевая ордината КФ поступает в блок задания ошибок 7 по первому входу с коррелометра 3 через блок временнойразвертки 4 и сдвигается в задатчике ошибок 7 на заданную величину уд.Поиск шага Лтд, по алгоритму (4), заканчивается, например, в (и+а)-ом цикле, когда знаковая функция будет в первый разбольше нуля.Измеренный шаг Лтд, подается на первыйвход блока управления 5, на первый входблока временной развертки 4, на второй входблока формирования участка аргумента 10,вход генератора случайных чисел 11, на первый вход блока формирования случайных интервалов 12, на первый вход блока формирования частот и фаз 13. По шагу Лтд, в данном устройстве автоматически определяютсямасштаб основных параметров корреляционно-спектральных измерений по участку аргу.мента, по полосе частот анализа, по диапазону случайных интервалов. Это позволяет ав.са (5) будет меньше или равной величине 65 томатически поддерживать точность измерения на втором участке без существенногоувеличения времени измерения.По командам с блока управления 5 существенные ординаты ( Р,(гЛтог) г первогоучастка о, т 1 подаются с коррелометра 3через блок временной развертки 4 на первыйвход блока текущего усреднения 6. Последний определяет сумму модулей ЛР, из тогмодулей существенных ординат10ЛР, = 1 Р,(гЛ .) (5)С блока задания ошибок 7 вызывается величина ошибки аппроксимации бв, и в блоке 15текущего усреднения 6 определяется разностьвида (ЛР 1 - бв). Если агап(М 1 - бв) О, топо команде с первого выхода блока текущегоусреднения 6, поступающей на третий входблока управления 5, начинается измерение 20ординат АКФ 2-го участка т 1, т 21, где т 2 -- т 1 = тоЛтга.При этом в блоке выбора диапазона частот14 изменяется предыдущая частота вг на новую гв 2= 2 Лтга . По команде с выхода блоКа 14 В СООтВЕтСтВИИ С 1 в 2 В унраВЛяЮщЕМфильтре 8 через второй вход задается новаяполоса пропускания ЛЬ. В блоке формирования случайного интервала .12 через первыйвход задается новый диапазон случайных пауэ О, С 2, т 2=тОЬа 1+т 1Ограничение до т 2 осуществляется черезвторой вход блока 12 по команде с блока 10.Измерение на 2-ом и следующих участкахаргумента происходит аналогично первому, З 5эписанному выше, за исключением того, чтопараллельно с измерением на втором участкеАКФ производится коррекция начальногоинтервала аппроксимации Мо=Ът, ть -о 40максимальный интервал корреляции х(гг,Для этого аналогично определению Лтг5 локами текущего усреднения 6, формирования интервала 1, задания ошибок 7, определяется новая оценка интервалаМ, = И - Лтзатаи Ху МЛцх РЦ.+г - .), (6)где Мав М, - оценки интервала, формируемые в блоке определения интервала 1;Лта - шаг измерения на участкез 1 дп (г - знаковая функция, формируемая в блоке 6.МЛ 01 х 1и;.г - текущая оценка модуля:реднего значения разностного процессаУх, определяемая в блоке 3 по ординаам разностного процесса Л(1 х, поступаюцим с блока 1 по второму входу,Таким образом шаги (Лт, г и оптималь 1 ый интеРвал Ыопт опРеДелЯетсЯ с автоматигески измеренными ошибками би бв.В случае если, например, на р-ом, Ре 1,ггЧаСтКЕ т 11-1, т 2СуММа МОдуЛЕй ЛР;, ВИ 8бв, т, Е. Згдн(М 11 - бв)(0, тО С ПЕРВОГО ВЫхода блока текущего усреднения 6 через третий вход в блок управления 5 подается команда Конец измерения АКФ. С этого момента уточняется значение абсолютного интервала коррекции тра АКФ й(т).Для этого с коррелометра 3 на третийвход блока временной развертки 4, на блоктекущего усреднения 6 по первому входу подаются измеренные существенные ординатыАКФ р-го участка и формируется текущаясумма существенных ординат видаЛРр,г = ЯР,г+1+ 1 Ма (гЛт 11 а)(7)и из текущей суммы ЛРр,г вычитаетсяошибка аппроксимации бв и формируется вблоке 3 знаковая функция.ягбан (ЬУ г - В), (8)В момент, когда, например, при г=5, здпв (7) будет в первый раз больше нуля, вблоке формирования участка аргумента 10по первому входу с третьего выхода блока 6фиксируется число г=5, и в блоке формирования участка аргумента определяется абсолютный интервал корреляциитг,. -- т, + 5 Л = Лто то+а - 1.:1где 1 г=01, , Р - 1, р, , и - участки аргумента.В соответствии с тг,а по команде с выходаблока 10, в блоках образования разности 2по третьему входу, временной развертки 4 повторому входу, формирования случайного интервала 12 по второму входу, выбора диапазона частот и фаз 14 и коррелометра 3 повторым входам задаются, соответственно, ограничения по интервалу М (тра, диапазону случайных фаз о, тя 1; нижней границегнв(т г,а частотного диапазона Л 1"в,Таким образом в данном устройстве адаптивно определяются выборки существенных ородинат (Р,(гЛт,а ) г АКФ Р(т) шума х иих шаги ( Лт, г, интервал абсолютной короРЕЛЯЦИИ тг,а ШУМа Х(1); ОПтИМаЛЬНЫй ИНТЕРВал Л 1 опт - Л 11 (11(а фОрМИрОВаиня раЗНОСТного процесса Лх(1); оптимальные значенияверхних частот поддиапазонов ( Л 1 г, пропорциональные минимальным шагам поддиапазонов ( Лтагпоа 1 6 ( Лтра 1 на участкахт. - 1 сПО аРГУМЕНтУ; ОПтИМаЛЬНЫЕ ГРаницы случайных пауз, пропорциональные(трр) - ШоЛЪахаа Лтаахоа ШаГ, МаКСИМаЛЬный из шагов (Лт г на 1 г,-ом участке поаргументу. Все это за счет одновременного измерения повышает точность и помехозащищенность корреляционно-спектральных измерений,9Измерение спектральной плотности Оф с заданной точностью производится следующим образом. Блоки синусно-косинусных коэффициентов 9, формирования частот и фаз 13 подключаются к четвертому и седьмому входам коррелометра 3, через третий вход в коррелометр 3 через блок временной развертки 4 через его третий вход с выхода коррелометра 3 подаются существенные ординаты ( Рс 1 Лтра ) 11 АКФ с их шагами 1 Лт, а)Блок 13 управляется с блоком формирования интервала 1 через первый вход по 1 Лтр 1; формирования участков аргумента 10 чеРез втоРой вхоД пор - 1, ,. 1 6 выбора диапазона частот 14 через четвертый вход по ра = (2 Лтр ); формирования случайного интервала 12 через третий вход по о, ср 3.Таким образом, блок формирования частот и фаз 13 преобразует оптимальные параметры измерения АКФ в оптимальные параметры измерения спектральной плотности (через Фурье-преобразование по АКФ). Блок 13 может состоять из набора преобразователей код-интервала; шага в частоту Лтр, в ра = (2 Лтр. ) - , кодов участков ; - 1 1 в диапазоны частот Л, интервала абсолютной корреляции т 11, в интервал затухания ОД), разбитый по частоте на р - а участков, синхронизатора-распределителя и набора схем перезаписей для стыковки с другими блоками.Измерение 6 на базе узлов адаптивного коррелометра происходит по параллельно- последовательным алгоритмам вида 16 6 = Х О (,) (9 а)р.=1 О ( 1) = 2 Ь Я,(0) + 4 Ь ; Р 1=1 =1 М (гЛ) сов (2 д-+ дед ); (9 б)6 (Рр) = 4 Л, Р, (1 Ь,) сов Х1:1М (2 яЬс Ь г ,у - ф д), (9 в)где ОДц), ОДц) - спектральные плотности на участках 1-ом р-ом, р=1, 2, , Р -участки по частоте;р - номер участка последнего аргумента1,, на котором измерен т 1Рс 1 ЛТ 1 а), Рс(1 Лт ра ) - существенные ординаты АКФ на 1-ом и р-ом участках;соз (2 лЛт 1 аХ Л 1 а Х 1 Х и сов (2 лЛт ра1 - 1 р - 1 ) - (1- не косинусоиды с 1-го и р-го участков по частоте о, 1), Ц, ,Л 1 Ьр - шаги по частоте, равные (2 Лт 1)и (2 Лтр, ) - , фр. 1 - начальнаЯ фаза р-го участка р - ь 1;по частоте,пропорциональные 2 л (тр 1 )-, т, 1 граница (р - 1)-го участка по аргументу; 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 106 - спектральная плотность шума х АКФ Л(т) на интервале о,ть.Таким образом в предлагаемом устройстве реализован адаптивный выбор основных параметров измерения корреляционно-спектральных функций нестационарных процессов с априорно-неизвестными параметрами. Причем, адаптивный выбор параметров измерения АКФ Р позволяет оптимально в режиме вторичной обработки измерить спектральную плотность Оц) теми же узлами, что и измерение АКФ. Это позволяет существенно повысить точность и помехоустойчивость корреляционно-спектральных измерений в жестких условиях дефицита априорной информации и ограниченных возможностей аппаратуры. Формула изобретенияУстройство для определения корреляционных и спектральных функций, содержащее блок формирования интервала, выход которого подключен к первым входам блока образования разности, второй вход которого является входом устройства, корр елометра, блока временной развертки и блока управления, второй вход которого соединен со вторыми входами блока временной развертки, коррелометра и третьим входом блока образования разности, четвертый вход которого подключен к первым входам блока текущего усреднения и блока задания ошибки, к третьему входу коррелометра и выходу блока временной развертки, третий вход которого соединен с выходом коррелометра, а управляющий вход - с первым выходом блока управления и с управляющими входами коррелометра и управляющего фильтра, первый вход которого соединен с выходом блока образования разности и вторым входом блока текущего усреднения, управляющий вход которого соединен со вторым выходом блока управления, третий выход которого подключен к управляющему входу блока формирования синусно-косинусных коэффициентов, выход которого соединен с четвертым входом коррелометра, пятый вход которого соединен с выходом управляющего фильтра, третий вход блока управления соединен с первым выходом блока текущего усреднения, второй выход которого подключен к входу блока формирования интервала, управляющий вход которого соединен с четвертым выходом блока управления и с управляющим входом блока задания ошибки, второй вход которого подключен к третьему выходу блока текущего усреднения, третий вход которого соединен с выходом блока задания ошибки, о т л и ч а ющееся тем, что, с целью повышения точности и помехозащищенности устройства, в него введены дополнительно генератор случайных чисел, блок формирования случайных интервалов, блок выбора диапазонов частот, блок формирования частот и фаз и блокЗаказ 1375/1 Изд. Мо 182 Тираж 88 НПО Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий 13035, Москва, Ж, Раушскан наб д. 4/5Подписное типография, пр. Сап; нева, 2 формирования участков аргумента, первый вход которого соединен с третьим выходом олока текущего усреднения, второй вход - с выходом блока формирования интервала, входом генератора случайных чисел и. первыми входами блока формирования случайных интервалов и блока формирования частот и фаз, второй вход которого соединен со вторыми входами блока формирования случайных интервалов, коррелометра, входом блока выбора диапазонов частот и с выходом блока формирования участков аргумента, управляющий вход которого подключен к четвертому выходу блока управления н управляющим входам блока формирования частот и фаз, блока формирования случайных интервалов, блока выбора диапазонов частот и генератора случайных чисел, выход которого подключен к третьему входу блока формирования случайных интервалов, выход которогосоединен с третьим входом блока формирования частот и фаз, с шестым входом коррелометра, четвертым входом блока текущего усБ реднения и пятым входом блока образова.ния разности, выход блока выбора диапазона частот соединен со вторым входомуправ.ляющего фильтра и с четвертым входом блока формирования частот и фаз, выход кото.10 рого подключен к входу блока формированиясинусно-косинусных коэффициентов и к седьмому входу коррелометра,Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Авторское свидетельство СССР Уо 474014,кл. Ст 06 Р 15/34, 1975,2. Авторское свидетельство СССРЖо 479114,кл, С Обг 15/34, 1975,