Бикоррелометр

 

Изобретение относится к измерительной технике и позволяет решить задачу повышения чувствительности. Бикоррелометр содержит три приемных канала 1_i , каждый из которых включает синхронные детекторы 2_i, 6_i , интеграторы 3_i, 7_i , модуляторы 4_i, 8_i , усилители 5_i, 9_i , 11_i , сумматор 10_i и квадратурный фазовращатель 12_i. Бикоррелометр содержит также блок 13 опорных частот, смесители 14, 15, задающий генератор 16, блок 17 квадратурных сигналов, полосовые усилители 18, 21, перестраиваемые фазовращатели 19, 27, перемножители 20, 22, полосовые усилители 23, 26, синхронные детекторы 24, 25, квадратурный фазовращатель 28 и интеграторы 29, 30. В бикоррелометре с помощью сформированных квадратурных сигналов осуществляется перенос выделенных входных биспектрально связанных низкочастотных сигналов в диапазон высоких частот, где отсутствует фликкер-шум. При этом сохраняются фазовые соотношения биспектрально связанных составляющих входных сигналов. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, предназначено для измерения параметров комплексной функции взаимной корреляции второго порядка (бикорреляции) спектральных составляющих полигармонического шумоподобного сигнала или группы подобных сигналов и может быть использовано для диагностики нелинейных свойств материалов, дефектоскопии сложных машин и механизмов по их шумам, а также в сейсмологии, океанологии.

Известно устройство для вычисления функции корреляции второго порядка, содержащее n приемных каналов (n ≥ 3), каждый из которых включает смеситель, усилитель промежуточной частоты и гетеродин, n - 1 блоков взаимнокорреляционного анализа, каждый из которых содержит смеситель, полосовой усилитель, фазовращатель, квадратурный фазовращатель, фазовый детектор, фильтр низкой частоты, перемножитель, четыре полосовых усилителя, два синхронных детектора, два интегратора, два смесителя и амплитудный детектор. Устройство содержит также блок бикорреляционного анализа, включающий три смесителя, пять полосовых усилителей, фазовращатель, квадратурный фазовращатель, перемножитель, два синхронных детектора, два интегратора, сумматор и амплитудный детектор [1]. Однако в случае, когда входной сигнал является полигармоническим, шумоподобным с совокупностью биспектрально связанных спектральных составляющих комбинационных частот, возникающих за счет нелинейных свойств среды распространения и взаимодействия составляющих спектра между собой, теряется информация об отдельных биспектрально связанных компонентах сигнала. Это связано с тем, что известное устройство вычисляет значение функции бикорреляции, усредненное по полосе частот, определяемой усилителем промежуточной частоты приемного канала.

Известны цифровые устройства, которые обеспечивают вычисление функции бикорреляции с сохранением информации об отдельных биспектрально связанных компонентах сигнала, содержащие аналого-цифровые преобразователи и ЭВМ, которая осуществляет Фурье-преобразование сигнала и накопление полученных массивов для последующего вычисления функции бикорреляции входного сигнала [2].

Однако эти операции выполняются последовательно и разнесены во времени, что не позволяет выделять биспектрально связанные компоненты входного сигнала в реальном масштабе времени.

Наиболее близким к изобретению по решаемой задаче и совокупности сходных существенных признаков является устройство для биспектрального анализа в реальном времени шумов зубчатых передач, содержащее три приемных канала, каждый из которых включает два синхронных детектора, два интегратора, блок квадратурных сигналов, десять перемножителей, пять сумматоров, два интегратора и канал вычисления арктангенса отношения мнимой компоненты к реальной компоненте комплексной функции автобикорреляции для определения ее бифазы [3].

Недостатком устройства-прототипа является низкая чувствительность. Это связано с тем, что обработка выделенных из входного сигнала биспектрально связанных составляющих осуществляется в диапазоне примыкающих к нулю низких частот, в котором высок уровень собственного фликкер-шума и сказывается влияние дрейфа параметров низкочастотных блоков. Последующее неоднократное перемножение малых по амплитуде спектральных компонент приводит к снижению их уровня по отношению к уровню собственного фликкер-шума, что ведет к потере информации о слабых биспектральных связях.

Разработанное техническое решение позволяет решить задачу повышения чувствительности.

Для этого в бикоррелометр, содержащий три приемных канала, каждый из которых включает два синхронных детектора и два интегратора, причем выходы первого и второго синхронных детекторов каждого приемного канала соединены с входами первого и второго интеграторов соответственно, сигнальные входы первого и второго синхронных детекторов каждого приемного канала соединены между собой, а к опорным входам каждого из шести синхронных детекторов трех приемных каналов подключены соответствующие выходы блока квадратурных сигналов, а также два перемножителя, три сумматора и два интегратора, в каждый из приемных каналов введены два модулятора, три усилителя, квадратурный фазовращатель и один из вышеуказанных сумматоров, при этом выход первого интегратора каждого приемного канала через последовательно соединенные первый модулятор и первый усилитель соединен с первым входом сумматора, а выход второго интегратора каждого приемного канала через последовательно соединенные второй модулятор и второй усилитель соединены с вторым входом сумматора, на выходе которого включен третий усилитель, опорный вход первого модулятора соединен с входом квадратурного фазовращателя, а выход последнего подключен к опорному входу второго модулятора, выход третьего усилителя каждого приемного канала является его выходом. Кроме того, в бикоррелометр введены два смесителя, два синхронных детектора, четыре полосовых усилителя, два перестраиваемых фазовращателя, квадратурный фазовращатель, задающий генератор и блок опорных частот, при этом выходы первого и второго приемных каналов соединены с соответствующими входами первого перемножителя, выход последнего через полосовой усилитель соединен с входом второго перемножителя, к другому входу которого подключен выход третьего приемного канала, первый выход блока опорных частот подключен к опорному входу первого модулятора, входу квадратурного фазовращателя первого приемного канала и первому входу первого смесителя, второй выход блока опорных частот подключен к опорному входу первого модулятора, входу квадратурного фазовращателя второго приемного канала и второму входу первого смесителя, третий выход блока опорных частот подключен к опорному входу первого модулятора, входу квадратурного фазовращателя третьего приемного канала и первому входу второго смесителя, а к опорным входам блока опорных частот и блока квадратурных сигналов подключен задающий генератор, выход первого смесителя через последовательно соединенные второй полосовой усилитель и первый перестраиваемый фазовращатель подключен к второму входу второго смесителя, выход которого через последовательно соединенные третий полосовой усилитель и второй перестраиваемый фазовращатель соединен с входом квадратурного фазовращателя и опорным входом первого синхронного детектора, выход второго перемножителя через четвертый полосовой усилитель соединен с сигнальными входами первого и второго синхронных детекторов, опорный вход второго синхронного детектора соединен с выходом квадратурного фазовращателя, выходы первого и второго синхронных детекторов соединены с входами первого и второго интеграторов соответственно, соединенные входы первого и второго синхронных детекторов каждого i-го приемного канала (i = 1, 2, 3) являются соответствующими i-ми входами бикоррелометра, а выходы первого и второго интеграторов являются соответственно выходами реальной и мнимой компонент комплексной функции взаимной бикорреляции.

В разработанном бикоррелометре с помощью сформированных квадратурных сигналов осуществляется перенос выделенных входных биспектрально связанных низкочастотных сигналов в диапазон высоких частот, где отсутствует фликкер-шум. При этом сохраняются фазовые соотношения биспектрально связанных составляющих входных сигналов и обеспечивается повышенная чувствительность.

На чертеже приведена структурная схема бикоррелометра.

Бикоррелометр содержит на входе три приемных канала 1_i, каждый из которых включает последовательно соединенные синхронный детектор 2_i, интегратор 3_i, модулятор 4_i и усилитель 5_i, а также последовательно соединенные синхронный детектор 6_i, интегратор 7_i, модулятор 8_i и усилитель 9_i. Выходы усилителей 5_i, 9_i подключены к соответствующим входам сумматора 10_i, а выход последнего подключен к входу усилителя 11_i. Опорные входы модуляторов 4_i и 8_i соединены соответственно с входом и выходом квадратурного фазовращателя 12_i. Соединенные входы синхронных детекторов 2_i, 6_i являются соответствующим i-м входом бикоррелометра, а выходы усилителей 11_i являются выходами соответствующего i-го приемного канала. Первый выход блока 13 опорных частот соединен с опорным входом модулятора 4₁, входом квадратурного фазовращателя 12₁ и первым входом смесителя 14. Второй выход блока 13 соединен с опорным входом модулятора 4₂, входом квадратурного фазовращателя 12₂ и вторым входом смесителя 14. Третий выход блока 13 соединен с опорным входом модулятора 4₃, входом квадратурного фазовращателя 12₃ и первым входом умножителя 15. Задающий генератор 16 соединен с опорными входами блока 13 и блока 17 квадратурных сигналов, каждый из шести выходов которого соединен с соответствующим опорным входом каждого из шести синхронных детекторов 2_i, 6_i трех приемных каналов. Выход смесителя 14 через последовательно соединенные полосовой усилитель 18 и перестраиваемый фазовращатель 19 подключены к второму входу умножителя 15. Выходы первого и второго приемных каналов соединены с соответствующими входами перемножителя 20, выход которого через полосовой усилитель 21 соединен с первым входом перемножителя 22, а к второму входу последнего подключен выход третьего приемного канала. Выход перемножителя 22 через полосовой усилитель 23 подключен к сигнальным входам синхронных детекторов 24, 25. Выход смесителя 15 через последовательно соединенные полосовой усилитель 26 и перестраиваемый фазовращатель 27 подключен к входу квадратурного фазовращателя 28 и опорному входу синхронного детектора 24. Выход квадратурного фазовращателя 28 соединен с опорным входом синхронного детектора 25. Выходы синхронных детекторов 24, 25 соединены соответственно с входами интеграторов 29, 30, а выходы последних являются соответственно выходами реальной и мнимой компонент комплексной функции взаимной бикорреляции.

Блок 13 опорных частот предназначен для формирования из выходного сигнала задающего генератора 16 трех сигналов опорных частот f₁, f₂, f₃и включает синтезаторы, содержащие делители, умножители частоты и полосовые фильтры. Блок 17 квадратурных сигналов предназначен для формирования из выходного сигнала задающего генератора 16 трех пар биспектрально связанных взаимно квадратурных в каждой паре опорных сигналов частот F₁, F₂, F₃, связанных соотношением F₁ = F₃ - F₂.

Постоянная τ₁ времени интеграторов 3, 7 приемных каналов 1₁, 1₂, 1₃ определяется условием τ₂≫τ₁≫ , где τ₂ - постоянная времени интеграторов 29, 30; F_мин - минимальная частота спектра входных сигналов.

Центральная частота полосы пропускания полосовых усилителей 18, 21 равна f₁ - f₂. Центральная частота полосы пропускания полосовых усилителей 23, 26 равна f₃ - (f₁ - f₂).

Бикоррелометр работает следующим образом.

На входы приемных каналов 1₁, 1₂, 1₃ поступают полигармонические шумоподобные сигналы вида v₁(t) =A_1k(t)·cos[2πF_1kt+Φ_1k(t)]+n₁(t); v₂(t) =A_2l(t)·cos[2πF_2lt+Φ_2l(t)]+n₂(t); v₃(t) =A_2m(t)·cos[2πF_2mt+Φ_2m(t)]+n₃(t); где A_1k, A_2l, A_3m - амплитуды переменных составляющих входных сигналов; Φ_1k(t), Φ_2l(t), Φ_3m(t) - фазы переменных составляющих входных сигналов; n₁(t), n₂(t), n₃(t) - гауссов шум.

Задающий генератор 16 формирует сигнал U₁(t) = U ^. cos2 π f_o(t).

Блок 17 квадратурных сигналов осуществляет формирование трех пар сигналов вида U₂₁(t) = U_o ^. cos2 π F₁ ^. t;
U₂₂(t) = U_o ^. sin2 π F₁(t);
U₂₃(t) = U_o ^. cos2 π F₂(t);
U₂₄(t) = U_o ^. sin2 π F₂(t);
U₂₅(t) = U_o ^. cos2 π F₃(t);
U₂₆(t) = U_o ^. sin2 π F₃(t).

При этом выполняется условие
F₁ = F₃ - F₂, что характеризует наличие биспектральной связи выходных сигналов блока 13.

Сигналы U₂₁, U₂₂, U₂₃, U₂₄, U₂₅, U₂₆ поступают соответственно на опорные входы синхронных детекторов 2_i, 6_i приемных каналов 1₁, 1₂, 1₃, которые перемножают эти сигналы с соответствующими входными сигналами V₁(t), V₂(t), V₃(t). Интеграторы 3_i, 7_i приемных каналов 1₁, 1₂, 1₃выделяют из этих сигналов напряжение, пропорциональное соответственно синфазной и ортогональной компонентам входного сигнала. Модуляторы 4_i, 8_i приемных каналов 1₁, 1₂, 1₃ осуществляют перенос соответствующих выходных сигналов интеграторов 3_i, 7_i на соответствующие опорные частоты f_i сигналов, формируемых с помощью блока 13 опорных частот. При этом сигнал соответствующей частоты f_i на модулятор 8_i каждого i-го приемного канала подается через квадратурный фазовращатель 12_i. Перенесенные из диапазона нулевых частот на опорную частоту f_i синфазная и ортогональная компоненты выходного сигнала с выходов модуляторов 4_i, 8_i в каждом приемном канале 1_i усиливаются с помощью соответствующих усилителей 5_i, 9_i, суммируются с помощью сумматоров 10_i и усиленные с помощью усилителей 11_i поступают на выходы соответствующих приемных каналов 1₁, 1₂, 1₃.

Перемножитель 20 и полосовой усилитель 21 формируют сигнал U₃(t), пропорциональный функции взаимной корреляции выходных сигналов приемных каналов 1₁, 1₂ на разностной частоте f₁ - f₂:
U₃(t)~cos[2π(f₁-f₂)t+Φ₁-φ₂+Δ₁₂], где Δ₁₂ - фазовый сдвиг, обусловленный несимметрией преобразования сигналов приемными каналами 1₁ и 1₂;
A₁(t), A₂(t) и Φ₁(t), Φ₂(t) - амплитуды и фазы выделенных приемными каналами 1₁, 1₂ гармонических составляющих входных сигналов V₁(t), V₂(t) соответственно;
τ₁ - постоянная интегрирования интеграторов 3, 7.

Перемножитель 22 и полосовой усилитель 23 формируют сигнал U₄(t), пропорциональный функции взаимной бикорреляции входных сигналов V₁(t), V₂(t), V₃(t) на разностной частоте f₃ - (f₁ - f₂):
U₄(t)~cos{2π[f₃-(f₁-f₂)]t+
+[Φ₃-(Φ₁-Φ₂)]+Δ₁₂+Δ₁₂₃, где A₃(t) и Φ₃(t) - амплитуда и фаза выделенной приемным каналом 1₃гармонической составляющей входного сигнала V₃(t), биспектрально связанной с гармоническими составляющими каналов 1₁ и 1₂;
Δ₁₂₃ - фазовый сдвиг, обусловленный несимметрией преобразования сигналов в приемных каналах 1₁, 1₂ относительно приемного канала 1₃.

Сигнал U₄ поступает на объединенные сигнальные входы синхронных детекторов 24, 25, на опорные входы которых поступают сигналы U₅, U₆разностной частоты f₃ - (f₁ - f₂):
U₅(t)~cos{2π[f₃-(f₁-f₂)]t+Δ₁₂+Δ₁₂₃};
U₆(t)~sin{2π[f₃-(f₁-f₂)]t+Δ₁₂+Δ₁₂₃}.

Эти сигналы формируются следующим образом.

Сигналы частот f₁, f₂, формируемые с помощью блока 13 опорных частот, перемножаются с помощью смесителя 14, выходной сигнал которого частоты f₁ - f₂ усиливается полосовым усилителем 18. Фазовращатель 19 осуществляет изменение фазы этого сигнала на величину Δ₁₂ . Сигналы частот f₁ - f₂ и f₃ перемножаются с помощью смесителя 15 и усиливаются полосовым усилителем 26. Перестраиваемый фазовращатель 27 изменяет фазу этого сигнала на величину Δ₁₂₃ . Величины фазовых задержек Δ₁₂ и Δ₁₂₃ определяются при симметрировании приемных каналов по входному биспектрально связанному калибровочному сигналу, в качестве которого могут быть использованы выходные сигналы блока 17. Сигнал с выхода перестраиваемого фазовращателя 27 поступает на опорный вход синхронного детектора 24 и через квадратурный фазовращатель 28 на опорный вход синхронного детектора 25. Синхронный детектор 24 и интегратор 29, синхронный детектор 25 и интегратор 30 формируют сигналы, пропорциональные реальной и мнимой компонентам комплексной функции взаимной бикорреляции гармонических составляющих входных сигналов V₁(t), V₂(t) и V₃(t).

Когда выходы приемных каналов 1₁, 1₂, 1₃ соединены между собой, бикоррелометр обеспечивает вычисление реальной и мнимой компонент комплексной функции автобикорреляции.

Формула изобретения

БИКОРРЕЛОМЕТР, содержащий блок формирования квадратурных сигналов, два интегратора, два перемножителя и три приемных канала, каждый из которых состоит из двух синхронных детекторов, двух интеграторов и сумматора, причем в каждом приемном канале выходы первого и второго синхронных детекторов соединены с входами одноименных интеграторов, сигнальные входы первого и второго синхронных детекторов i-го приемного канала (где i=) подключены к i-му сигнальному входу бикоррелометра, опорные входы синхронных детекторов всех приемных каналов соединены с соответствующими выходами блока формирования квадратурных сигналов, отличающийся тем, что в него введены два смесителя, два синхронных детектора, четыре полосовых усилителя, два перестраиваемых фазовращателя, квадратурный фазовращатель, задающий генератор и блок задания опорных частот, в каждый приемный канал введены два модулятора, три усилителя и квадратурный фазовращатель, при этом в каждом приемном канале выходы первого и второго интеграторов соединены с сигнальными входами одноименных модуляторов, выходы которых через одноименные усилители подключены к соответствующим входам сумматора, выход которого соединен с входом третьего усилителя, выходы третьих усилителей первого и второго приемных каналов подключены к входам первого перемножителя, выход которого через первый полосовой усилитель соединен с первым входом второго перемножителя, второй вход которого подключен к выходу третьего усилителя третьего приемного канала, выход которого через второй полосовой усилитель соединен с первыми входами первого и второго синхронных детекторов, выходы которых подключены к входам одноименных интеграторов, выходы которых являются выходами бикоррелометра, выход задающего генератора соединен с опорными входами блока формирования квадратурных сигналов и блока задания опорных частот, первый выход которого подключен к первому входу первого смесителя, к опорному входу первого модулятора первого приемного канала и через квадратурный фазовращатель первого приемного канала соединен с опорным входом второго модулятора первого приемного канала, второй выход блока задания опорных частот подключен к второму входу первого смесителя, к опорному входу первого модулятора второго приемного канала и через квадратурный фазовращатель второго приемного канала - к опорному входу второго модулятора второго приемного канала, выход первого смесителя через последовательно соединенные третий полосовой усилитель и первый перестраиваемый фазовращатель подключен к первому входу второго смесителя, второй вход которого соединен с опорным входом первого модулятора третьего приемного канала и с третьим выходом блока задания опорных частот, подключенным через квадратурный фазовращатель к опорному входу второго модулятора третьего приемного канала, выход второго смесителя через цепочку из последовательно соединенных четвертого полосового усилителя и второго перестраиваемого фазовращателя подключен к второму входу первого синхронного детектора и к входу квадратурного фазовращателя, выход которого соединен с вторым входом второго синхронного детектора.

РИСУНКИ

Рисунок 1