Файл: Калинчук, Б. А. Анализаторы инфразвуковых случайных процессов.pdf

лографы в качестве регистраторов коррелометров инфранизкочастотного диапазона применяются значительно реже, чем самописцы, однако использование широкой фотобумаги типа УФ, не требую­ щей химического проявления и позволяющей записывать одновре­ менно несколько процессов, наличие высокочувствительных гальва­ нометров, работающих в широком частотном диапазоне, выполне­ ние записи электронным лучом вместо пера, закрепленного на ме­ ханическом узле самопйсца,— все эти качества способствуют распространению шлейфных осциллографов в этой области.

Использование многолучевого шлейфного осциллографа пред­ ставляется особенно удобным совместно с коррелометром экспрессанализа, вычисляющим корреляционные функции случайных сиг­ налов, поступающих непосредственно от датчиков. В этом случае шлейфным осциллографом можно одновременно регистрировать исследуемые случайные процессы х (/) и у (t), и их взаимную корре­ ляционную функцию Rxy (т). Впоследствии эти записи исходных случайных процессов могут быть использованы для дальнейшей обработки универсальными статистическими анализаторами или ЭВМ.

Многолучевой шлейфный осциллограф типа Н-115, используе­ мый в качестве регистрирующего устройства коррелометр а-спектро­ анализатора [951, подключается к последнему через блок согласо­ вания. Блок согласования содержит 4 однотипных согласующих устройства (СУ), каждое из которых представляет собой трехкас­ кадный транзисторный усилитель постоянного тока, работающий совместно с одним гальванометром осциллографа.

Для повышения входного сопротивления на входе усилителя включен эмиттерный повторитель. СУ обеспечивает регулировку амплитуды входного сигнала и*совмещение нулевой точки гальва­ нометра, подключенного к СУ, с нулевой точкой гальванометра при закороченном выходе. Помимо регистрации случайных про­ цессов и их корреляционной функции на ленте шлейфного осцилло­ графа синхронно наносится координатная сетка в виде продольных линий с шагом 2 мм, а также отметки времени через интервалы 2 ,0 ;

0 ,2 ; 0 ,0 2 ; 0,002 сек.

Блоки регистрации результатов, содержащие самописец или шлейфный осциллограф, применяются в аналоговых корреломет­ рах и в цифровых коррелометрах, имеющих аналоговый выход. Обычно же в цифровых коррелометрах результаты измерений ре­ гистрируются посредством цифропечатающих или перфорирующих устройств. Вывод на цифропечать выполняется электрическими пишущими машинками или устройствами динамической печати. При­ мером использования электрической пишущей машинки для печати таблицы результатов измерений в десятичной форме может служить выводное устройство дискретной измерительной корреляционной системы (ДИКС), описанное в [134]. Схема устройства вывода ДИКС представлена на рис. 1-59.

По сигналу устройства управления УУ, проходящему через

108

вентиль В, результаты вычислений, поступающие из арифметиче­ ского устройства АУ в двоичный счетчик 1, передаются в двоично­ десятичный счетчик 2, а затем через диодный дешифратор на элек­ трическую пишущую машинку. Пишущая машинка модернизи­ рована и печатает результат в виде таблицы трехразрядных деся­ тичных чисел со скоростью три числа в секунду.

Существенное повышение скорости корреляционного анализа, выполняемого цифровыми коррелометрами, требует увеличения скорости вывода результатов измерений. Так, например, модерни­ зированная ЦПМ, примененная в системе ДИКС, обеспечивает вывод трех чисел в секунду, хотя на вычисление одной точки корре-

ляционной функции система затрачивает примерно 0,05 сек. Отли­ чие скоростей вычисления и регистрации результатов посредством ЦПМ становится еще больше при использовании многоканальных цифровых коррелометров. Увеличения скорости печати результа­ тов можно добиться применением быстродействующих устройств динамической печати, обеспечивающих параллельный вывод ин­ формации.

Оцифрованный печатающий барабан устройства выдает в систему управления импульсы синхронизации, представляющие каждую цифру кодом. В качестве дешифратора для устройства динамиче­ ской печати предлагается использовать многоустойчивые элементы [37], представляющие выводимую информацию в фазо-импульсном коде.

Блок-схема цифропечатающего механизма с дешифратором на многоустойчивых элементах показана на рис. 1-60.

Импульсная последовательность, представляющая выводимую информацию, поступает на счетчик-дешифратор, в разрядах кото­ рого происходит соответствующее изменение фазы импульсной

109

последовательности, и далее, по сигналу устройства управления на схемы совпадения. Устройство управления, связанное со счетчиком и схемами совпадения, детектирует синхронные пары импульсов разрядов счетчика и импульсов, поступающих с цифропечатаю­ щего механизма ЦПМ. При этом на исполнительные схемы посту­ пает команда, и цифропечатающий механизм печатает соответст­ вующую цифру. Счетчики на многоустойчивых элементах в устрой­ ствах вывода экономичнее дешифраторов на двоичных элементах, особенно при счете многоразрядных чисел.

Для вывода результатов корреляционных измерений, накоплен­ ных в аналоговой форме, на цифропечатающий механизм со счетчи­ ком на многоустойчивых элементах достаточно на входе системы (рис. 1-60) включить преобразователь напряжения в импульсную последовательность, в которой число импульсов пропорционально значению аналогового напряжения.

Каждое из средств индикации и регистрации результатов кор­ реляционного анализа с наибольшей пользой может быть исполь­ зован при вполне определенных условиях. Поэтому обычно корре­ лометры снабжаются несколькими устройствами вывода результа­ тов. Так, коррелограф НК-200 [97 ] наряду с самописцем снабжен и стрелочным индикатором. Коррелометр-спектроанализатор [951 выводит результаты на электронный осциллограф, стрелочный при­ бор, цифровой вольтметр и шлейфный осциллограф. Автоматический цифровой коррелятор параллельно-последовательного действия [136] обеспечивает вывод результатов на ЭЛТ, цифровое табло на лампах ИН-1, цифропечатающую машинку ЦПМ-3 и перфоратор ПЛ-20. Использование перфоратора позволяет подготовить резуль­ таты корреляционных измерений к использованию в универсаль­ ных ЭЦВМ.

Глава вторая СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СЛУЧАЙНЫХ СИГНАЛОВ

2-1. Методы спектрального анализа случайных сигналов

Современные методы исследований реальных физических полей предполагают их моделирование, причем, отображающие их дина­ мику модели могут быть функциями как времени, так и частоты. Частотное (чаще называемое спектральным) разложение сигна­ лов принципиально может быть получено аналитически путем ин­ тегрирования функции х (t) с весом ехр (— /2я/т):

+ °о

S A (f)= J x (t )e x v( — j2nft)dt.

—СО

Случайные процессы принято характеризовать энергетическим спектром, определяющим распределение по шкале частот средне­ квадратических значений составляющих исследуемого сигнала и

110

не несущим информацию об их фазовых соотношениях. Наличие энергетического спектра не позволяет восстановить исходный слу­ чайный процесс как функцию времени. Для реализации действи­ тельного эргодического случайного сигнала длительностью Т оценка

энергетического спектра So if) (или «спектра дисперсий») может быть найдена по формуле:

SD V) = j:\SA (/) Р =

_2

ехр (—j2nft) dt

Т

При спектральном анализе случайных сигналов вид аналитиче­ ской записи сигнала х (t), как правило, отсутствует поэтому непо­

средственное вычисление оценок 5л (/) и So(t) по приведенным выше соотношениям оказывается невозможным. Наличие осцилло­ грамм или графических записей исследуемых сигналов позволяет

вручную осуществить вычисление оценки So (/), но требует значи­ тельной затраты времени; этот путь вряд ли является целесообраз­ ным и в большинстве случаев от него предпочитают отказываться. В настоящее время усиленно развиваются методы аппаратурного спектрального анализа, основанные на использовании как специа­ лизированных статистических анализаторов, так и универсальной цифровой вычислительной техники.

Рассмотрим основные методы получения спектрального разло­ жения случайных сигналов, основанные на использовании специа­ лизированной аппаратуры статистического анализа. Эти методы можно разделить на две основные группы: методы фильтрации и методы, использующие преобразование Фурье.

Методы фильтрации, в свою очередь, удобно разделить на три основные группы: методы непосредственной фильтрации, методы с предварительным гетеродинированием, методы с временной ком­ прессией исследуемых сигналов.

Рассмотрим также методы нахождения оценок So (f) с исполь­ зованием преобразования Фурье, разделив их на методы с преобра­ зованием временных функций и методы с преобразованием корре­ ляционных функций.

Методы непосредственной фильтрации. Мощность бесконечного ансамбля бесконечных реализаций случайного процесса также бес­ конечна. Стремление характеризовать процессы конечномерными величинами и заставляет обратиться к параметру, определяющему суммарную мощность бесконечно большого числа сколь угодно близко расположенных частотных составляющих сигнала, сосре­ доточенных в исчезающе малой полосе частот; этот параметр и на­ зывается спектральной плотностью мощности случайного сигнала.

111

Метод непосредственной фильтрации основан на использовании линейных настроенных (резонансных) узкополосных фильтров, для которых обычно выполняется соотношение:

(/о),-» (А/),-,

К1

Рис. 2-1. Блок-схема анализатора, основанного на методе непосредственной фильтрации

где (/„), и (Д/)£ — соответственно центральная частота и эквива­ лентная полоса пропускания г-го фильтра. Квадрированный и ус­ редненный сигнал, снимаемый с выходов фильтров, дает оценку спектральной плотности в функции от (/\,)£.

Блок-схема анализатора параллельного принципа действия,

Исследуемый сигнал £/вх (t) одновременно воздействует на группу узкополосных фильтров, настроенных на ряд частот (/0)£; в полосе анализа F. После каждого фильтра включен детектор и интегратор (фильтр нижних частот ФНЧ), на котором происходит накопление энергии в течение всего периода анализа Та. Индика­ тором устройства служит обычно электронно-лучевая трубка. Съем напряжений с интеграторов производится с помощью коммута­ тора К, синхронно с разверткой обегающего ламели 1—п. На эк­ ране электронно-лучевой трубки спектр наблюдается в виде набора линий, каждая из которых соответствует напряжению, выделяе­ мому на определенном фильтре. Частотная разрешающая способ­ ность устройства определяется полосой пропускания (А/)£ и разно­ сом резонансных частот (/0)£ соседних фильтров.

Время установления колебаний в узкополосном фильтре обратно пропорционально (А/)£. Поэтому период анализа Та сигналов рас-

112