СТОХАСТИЧЕСКИЙ ФИЛЬТР Российский патент 1997 года по МПК G06E3/00 

Изобретение относится к специализированной вычислительной технике и может быть использовано для оптимального минимаксного оценивания периодических процессов.

Известны фильтры, позволяющие осуществлять оценку сигналов на основе аппроксимации апостериорной плотности вероятности (АПВ) гауссовской (В.И.Тихонов. Оптимальный прием сигналов. М. Радио и связь, 1983), что обеспечивает в свою очередь оптимальное минимаксное оценивание процессов, существующих на бесконечном интервале (Соколов С.В. Использование максиминного подхода при решении задач оптимальной фильтрации.//Радиоэлектроника. 9. -1991. -с. 28-33). Наиболее близким по техническому исполнению к предложенному устройству является гауссовский фильтр (Д.Снайдер. Метод уравнений состояния для непрерывной оценки в применении к теории связи. -М. Энергия, 1973 г. стр. 26), содержащий группу сумматоров и умножителей.

Недостатком указанных фильтров является отсутствие возможности оптимального минимаксного оценивания процессов, существующих на периодическом множестве ограниченных интервалов, например,
[n•2π, (n+1)2π], n=0,1,...
Предлагаемое изобретение направлено на решение задачи оптимального минимаксного оценивания сигналов, множество значений которых определено на периодическом множестве ограниченных интервалов существования их амплитуд. Подобная задача возникает при оценке выходных сигналов оптических и радиоэлектронных систем углового наблюдения, различных угломерных устройств, систем управления в автоколебательном режиме и т.д.

Теоретические соображения, положенные в основу синтеза уравнений и структуры предложенного фильтра, приведены в Приложении.

Сущность изобретения состоит в том, что в устройство введены источник когерентного излучения, входной оптический разветвитель, состоящий из двух групп оптических разветвлений, каждая из которых состоит из M ответвлений, шесть блоков вычислений тригонометрического ряда, шесть сумматоров, четыре блока вычитания, три группы умножителей, два интегратора, управляемый источник излучения, оптический разветвитель из групп оптических разветвлений, каждая из которых состоит из М ответвлений, и оптические функциональные преобразователи, каждый из которых содержит оптические транспаранты, две группы оптических ответвлений, управляемые фазовые модуляторы, оптический сумматор и блок вычитания константы, каждый блок вычисления тригонометрического ряда содержит электрооптические модуляторы света, две группы оптических ответвлений, неуправляемые фазовые модуляторы, дефлекторы света, оптический сумматор и фотоприемник, причем выход источника когерентного излучения оптически связан со входами ответвлений оптических разветвлений первой группы входного оптического разветвителя, выход каждого из которых оптически связан со входом соответствующего оптического транспаранта, выход каждого из которых оптически связан со входами одноименных оптических ответвлений первой и второй групп своего оптического функционального преобразователя, в каждом оптическом функциональном преобразователе выходы каждого оптического ответвления первой группы непосредственно, а второй группы через одноименный управляемый фазовый модулятор оптически связаны с одноименным входом оптического сумматора, выход которого подключен ко входу соответствующего блока вычитания константы, выходы блоков вычитания константы оптических функциональных преобразователей первой группы подключены к соответствующим первым входам одноименных умножителей первой группы, ко входам первого сумматора и к управляющим входам одноименных электрооптических модуляторов первого блока вычитания тригонометрического ряда, информационные входы электрооптических модуляторов всех блоков вычисления тригонометрического ряда оптически связаны с выходами одноименных ответвлений соответствующего оптического разветвления второй группы входного оптического разветвителя, входы оптических разветвлений второй группы которого оптически связаны с выходом источника когерентного излучения, в каждом блоке вычисления тригонометрического ряда выход электрооптического модулятора оптически связан со входами одноименных оптических ответвлений первой и второй групп, выходы оптического ответвления первой группы непосредственно, а оптического ответвления второй группы через одноименные неуправляемый фазовый модулятор и дефлектор света оптически связаны с одноименным входом оптического сумматора своего блока вычисления тригонометрического ряда, выход оптического сумматора каждого блока вычисления тригонометрического ряда оптически связан со входом своего блока вычисления тригонометрического ряда, выход фотоприемника первого блока вычисления тригонометрического ряда подключен к одному входу второго сумматора, другие входы которого соединены с выходами блоков вычитания константы оптических функциональных преобразователем второй группы, соединенными с первыми входами одноименных умножителей второй группы и с управляющими входами соответствующих электрооптических модуляторов второго блока вычисления тригонометрического ряда, выход фотоприемника которого подключен к соответствующему входу первого сумматора, выход которого подключен ко входу вычитаемого первого блока вычитания, вход уменьшаемого которого соединен с выходом второго сумматора, соответствующий вход которого соединен с выходом первого умножителя, первый вход которого соединен с информационным входом фильтра, а второй с выходом второго блока вычитания, вход уменьшаемого которого соединен с выходом фотоприемника третьего блока вычисления тригонометрического ряда, а вход вычитаемого с выходом третьего сумматора, входы которого соединены с выходами блоков вычитания константы оптических функциональных преобразователей третьей группы, подключенными к управляющим входам одноименных электрооптических модуляторов третьего блока вычисления тригонометрического ряда и к первым входам умножителей третьей группы, выходы которых подключены ко входам шестого сумматора и к управляющим входам соответствующих электрооптических модуляторов шестого блока вычисления тригонометрического ряда, в котором управляющие входы всех дефлекторов света соединены с выходом первого интегратора, вход которого соединен с выходом первого блока вычитания, выход фотоприемника шестого блока вычисления тригонометрического ряда подключен ко входу уменьшаемого четвертого блока вычитания, вход вычитаемого которого соединен с выходом шестого сумматора, а выход подключен к первому входу второго умножителя, второй вход которого соединен с информационным входом фильтра, а выход подключен ко входу пятого сумматора, выход которого подключен ко входу уменьшаемого третьего блока вычитания, а входы соединены с выходами одноименных умножителей второй группы, подключенными к управляющим входам соответствующих электрооптических модуляторов пятого блока вычисления тригонометрического ряда, выход фотоприемника которого подключен к соответствующему входу четвертого сумматора, другие входы которого соединены с выходами умножителей первой группы и с управляющими входами соответствующих электрооптических модуляторов четвертого блока вычисления тригонометрического ряда, выход фотоприемника которого подключен ко входу пятого сумматора, выход четвертого сумматора подключен ко входу вычитаемого третьего блока вычитания, выход которого подключен ко входу второго интегратора, выход которого является выходом устройства для параметра и подключен также ко входу управляемого источника излучения, выход которого оптически связан со входами соответствующих ответвлений оптических разветвлений групп оптического разветвителя, выходы которых оптически связаны с управлящими входами соответствующих управляемых фазовых модуляторов, выход блока вычитания константы первого оптического функционального преобразователя подключен ко вторым входам умножителей всех групп.

На чертеже приведена функциональная схема стохастического фильтра.

Устройство содержит источник когерентного излучения 1, входной оптический разветвитель 2, состоящий из следующих групп оптических разветвлений: по M ответвлений в каждой, 2₂₂, 2₂₅ по (2N+1)² ответвлений в каждой и 2₂₁, 2₂₃, 2₂₄, 2₂₆ по (2N + 1) ответвлений; оптические функциональные преобразователи (ОФП) и ОФП 3; шесть блоков вычисления тригонометрического ряда (ВТР) 4₁- 4₆, шесть сумматоров 5₁-5₆-5₁, 5₄-(2N+2) входовые; 5₂, 5₅-((2N+1)² + 2) входовые; 5₃, 5₆-(2N + 1) входовые; вход 6 сигнала измерения Z_t, четыре блока вычитания 7₁-7₄, два умножителя 8₁, 8₂ и три группы умножителей 8₅₀-8_5(2N); два интегратора 9₁, 9₂; управляемый источник некогерентного излучения 10, оптический разветвитель 11, содержащий группы разветвлений по M ответвлений в каждой.

Оптические разветвители 2, 11 могут быть выполнены в виде направленных неуправляемых ответвителей (оптических волокон) (Акаев А.А. Майоров С.А. Оптические методы обработки информации. -М. ВШ, 1985). ОФП 3_ij содержит группу M оптических вычислительных транспарантов 12₁-12_m с постоянной оптической плотностью, M пар оптических ответвлений 13₁-13_m M управляемых фазовых модуляторов 14₁-14_m, оптический сумматор 15 и блок вычитания константы 16. В схеме данного ОФП 3_ij использованы M транспарантов 12₁-12_m с функциями пропускания, пропорциональными коэффициентам ряда Фурье заданной функции, входы которых через M объединенных ответвлений соответствующей группы 2_1m соединены с выходом источника излучения 1.

ВТР 4₁ содержит группу электрооптических модуляторов света 17₀,17_2N, группу объединенных оптических ответвлений 18₀-19_2N, группу неуправляемых фазовых модуляторов 19₀-19_2N, группу дефлекторов света 20₀-20_2N, оптический сумматор 21, фотоприемник 22.

Информационные входы всех модуляторов 17₀-17_2N с помощью объединенных ответвлений соответствующей группы 2₂₁ соединены с выходом источника излучения 1, а управляющий вход i-го модулятора 17_i соединен с выходом ОФП 3_1i. Выход модулятора 17_i с помощью первого ответвления пары 18_i подключен к i-му входу оптического сумматора 21, соединенному также с выходом дефлектора 20_i. Информационный вход дефлектора 20_i через неуправляемый фазовый модулятор 19_i с помощью второго ответвления пары 18_i соединен с выходом модулятора 17_i.

Управляющие входы всех дефлекторов 20₀,20_2N объединены и соединены с выходом интегратора 9₁. Выход сумматора 21 подключен ко входу фотоприемника 22, выход которого является выходом БТР 4₁.

Схемы построения БТР 4₂-4₆ идентичны схеме 4₁, только в БТР 4₂, 4₅ число каналов составляет не 2N + 1, а (2N + 1)².

Выход источника излучения 1 подключен с помощью оптического разветвителя 2 ко входам ответвлений и входам шести групп ответвлений 2₂₁-2₂₆. Выходы М ответвлений группы 2₁₀ подключены ко входам соответствующих транспарантов ОФП 3, а выходы М ответвлений группы 2_1i подключены ко входам транспарантов следующих ОФР:

Выходы ответвлений 2₂₁, 2₂₃, 2₂₄, 2₂₆ подключены к информационным входам соответствующих модуляторов БТР 4₁, 4₃, 4₄, 4₆, а выходы ответвлений 2₂₂, 2₂₅ соответственно к модуляторам БТР 4₂, 4₅.

Выход ОФП 3_jn, подключен к соответствующему входу сумматора 5_j, входу умножителя 8_(j+2)n, вторые входы которых объединены и соединены с выходом ОФП 3, и управляющему входу n-го модулятора j-го БТР 4_j. Выход БТР 4₁ подключен к соответствующему входу сумматора 5₂, выход 4₂ к 5₂, выход 4₃ ко входу уменьшаемого блока вычитания 7₂, выход 4₄ ко входу сумматора 5₅, выход 4₅ к 5₄, выход 4₆ ко входу уменьшаемого блока вычитания 7₄.

Выходы сумматоров 5₁, 5₄ подключены ко входам вычитаемого, соответственно блоков вычитания 7₁, 7₃, выходы сумматоров 5₂, 5₅ ко входам уменьшаемого блоков 7₁,7₃. Выходы сумматоров 5₃, 5₆ подключены ко входом вычитаемого, соответственно блоков вычитания 7₂, 7₄. Выходы блоков вычитания 7₁, 7₃ подключены ко входам интеграторов 9₁, 9₂, выходы блоков 7₂, 7₄ ко входам умножителей 8₁, 8₂, вторые входы которых объединены и соединены со входами 6 устройства. Выход умножителя 8₁ подключен ко входу сумматора 5₂, выход 8₂ ко входу сумматора 5₅. Выход умножителя 8_jn, подключен к соответствующему входу сумматора 5_(j+1) и управляющему входу n-го модулятора (j + 1)-го БТР 4_j+1.

Выход интегратора 9₂ подключен ко входу управляемого источника излучения 10, выход которого подключен ко входам оптических разветвлений выходы которых подключены ко входам M управляемых фазовых модуляторов соответствующих ОФП 3 ^oC 3_3(2N).

Выход интегратора 9₁ является выходом фильтра для оценки кругового среднего μ выход 9₂ для круговой дисперсии s
Устройство работает следующим образом.

По включении источника излучения 1 на входах ОФП 3_ij ВТР 4_j формируются когерентные световые потоки, поступающие по ответвлениям разветвителя 2 и приводящие ОФП и ВТР в рабочее состояние. На выходах ОФП 3₁₀-3_1(2N) формируются текущие значения коэффициентов B_o(-N, σ, t)÷ B_o(N,σ,t), на выходах значения на выходах 3₃₀-3_3(2N) соответственно, D^-1•B₁(-N, σ, t)÷B₁(N, σ, t)•D^-1.
Формирование данных коэффициентов происходит путем суммирования в ОФП картин интерференции, образованных взаимодействием опорного потока и потоков с амплитудами и фазами, соответствующими параметрам реализуемого ряда Фурье.

При этом функции пропускания транспарантов 12₁,12_m в соответствующем ОФП выбираются пропорциональными коэффициентам разложения в ряд Фурье соответствующей функции B_j(k, σ, t) а зависимость от σ (t) обеспечивается подачей сигнала s_t с выхода интегратора 9₂ через управляемый источник излучения 10.

Текущие значения коэффициентов B_j(k, σ, t) поступают на управляющие входы электрооптических модуляторов соответствующего ВТР 4_n, обеспечивая таким образом пропорциональность интенсивности когерентного потока на выходе модулятора значению B_j(k, σ, t) Данный поток разветвляется с помощью пары ответвлений 18_m на два потока, интерферирующих на одном из входов оптического сумматора 21 между собой. Т.к. один из потоков проходит через неуправляемый фазовый модулятор 19_m, создающий сдвиг фазы где Φ_к в ВТР 4₁ равно " ", в ВТР 4₂, 4₃ 0; и далее - через дефлектор 20_m отклоняющий световой поток при подаче управляющего сигнала μ на угол q = arcsin K_m•μ (Акаев А. А. Майоров С.А. Оптические методы обработки информации -М. ВШ, 1985), где K_m некоторый коэффициент пропорциональности, то на m входе оптического сумматора 21 (аналогично ОФП) формируется интерференционная картина, интенсивность J_m которой на m-м входе равна:

где Y_m точка (координата) съема информации (т.е. интенсивности интерференционной картины J_m) на оси Y формирования интерференции - точка m-го входа сумматора 21, λ длина волны когерентного излучения, K_m, Y_m выбираются таким образом, чтобы
Суммирование всех значений интенсивностей на входах оптического сумматора в ВТР 4₁- 4₃ (аналогично ОФП) позволяет не только сформировать требуемую тригонометрическую сумму

но и приводит к появлению дополнительной суммы для исключения которой в сумматорах 5₁^oC 5₃ предусмотрено формирование соответствующих составляющих с выходов соответствующих ОФП 3_in. Сигнал с выхода фотоприемника ФТР 4₂, пропорциональный сумме

поступает на вход сумматора 5₁, на остальные входы которого поступают сигналы B_o(k, σ,t) с выходов ОФП 3₁₁-3_1(2N). С выхода сумматора 5₁ сигнал, равный поступает на вход вычитаемого блока 7₁. Одновременно в блоке вычитания 7₂ формируется сигнал, равный разности сигнала с выхода ВТР 4₃ и сигнала с выхода сумматора 5₃ т.е. Данный сигнал умножается на поступающий со входа 6 сигнал Z_t в умножителе 8₁ и с выхода умножителя 8₁ поступает на вход сумматора 5₂, где формируется сигнал, равный:

Данный сигнал поступает на вход уменьшаемого блока вычитания 7₁, на выходе которого формируется сигнал, равный Сигнал поступает на вход интегратора 9₁, на выходе которого формируется сигнал m поступающий далее на управляющие входы всех дефлекторов ВТР 4₁-4₆ и на выход оценки устройства. Формирование текущего значения s в Б 4₄ -4₆, сумматорах 5₄-5₆, блоках вычитания 7₃-7₄, умножителе 8₂ и интеграторе 9₂ аналогично вышеописанному для m Отличие состоит лишь том, что коэффициенты H_j(k, t) формируются не непосредственно в ОФП 3_in, а на выходах соответствующих умножителей 8_(i+2)n на входы которых поступают сигналы с выхода ОФП 3_in и ОФП 3, формирующего функцию сдвиг фазы в фазовых модуляторах ВТР 4₅, 4₆ равен нулю, а в ВТР 4₄ Сигнал, равный σ поступает с выхода интегратора 9₂ на вход управляемого источника излучения 10 и на выход " s " устройства. С выхода источника излучения 10 снимается световой поток с интенсивностью, пропорциональной 4(N+1)²•M•σ_t который через разветвления поступает далее на управляющие входы фазовых модуляторов ОФП 3, 3_in с выходов которых снимаются текущие значения функций
С выходом оценки "μ" и "σ" устройства снимаются искомые текущие значения сигналов μ и σ" решающие поставленную задачу оптимальной минимаксной оценки наблюдаемого сигнала.

Изобретение относится к специализированной вычислительной технике и может быть использовано для оптимального минимального оценивания периодических процессов. Цель изобретения - расширение класса решаемых задач. Фильтр содержит источник когерентного излучения, входной оптический разветвитель, состоящий из двух групп оптических разветвлений, каждая из которых состоит из M ответвлений, шесть блоков вычисления тригонометрического ряда, шесть сумматоров, четыре блока вычитания, три группы умножителей, два интегратора, управляемый источник излучения, оптический разветвитель из групп оптических разветвлений, каждая из которых состоит из M ответвлений, и оптические функциональные преобразователи, каждый из которых содержит оптические транспаранты, две группы оптических ответвлений, управляемые фазовые модуляторы, оптический сумматор и блок вычитания константы, каждый блок вычисления тригонометрического ряда содержит электрооптические модуляторы света, две группы оптических ответвлений, неуправляемые фазовые модуляторы, дефлекторы света, оптический сумматор, фотоприемник, два умножителя и шесть сумматоров. 1 ил.

Стохастический фильтр, содержащий два умножителя и шесть сумматоров, отличающийся тем, что в него введены источник когерентного излучения, входной оптический разветвитель, состоящий из двух групп оптических разветвлений, каждая из которых состоит из М ответвлений, шесть блоков вычисления тригонометрического ряда, шесть сумматоров, четыре блока вычитания, три группы умножителей, два интегратора, управляемый источник излучения, оптический разветвитель из групп оптических разветвлений, каждая из которых состоит из М ответвлений, и оптические функциональные преобразователи, каждый из которых содержит оптические транспаранты, две группы оптических ответвлений, управляемые фазовые модуляторы, оптический сумматор и блок вычитания константы, каждый блок вычисления тригонометрического ряда содержит электрооптические модуляторы света, две группы оптических ответвлений, неуправляемые фазовые модуляторы, дефлекторы света, оптический сумматор и фотоприемник, причем выход источника когерентного излучения оптически связан с входами ответвлений оптических разветвлений первой группы входного оптического разветвителя, выход каждого из которых оптически связан с входом соответствующего оптического транспаранта, выход каждого из которых оптически связан с входами одноименных оптических ответвлений первой и второй групп своего оптического функционального преобразователя, в каждом оптическом функциональном преобразователе выходы каждого оптического ответвления первой группы непосредственно, а второй группы через одноименный управляемый фазовый модулятор оптически связаны с одноименным входом оптического сумматора, выход которого подключен к входу соответствующего блока вычитания константы, выходы блоков вычитания константы оптических функциональных преобразователей первой группы подключены к соответствующим первым входам одноименных умножителей первой группы, к входам первого сумматора и к управляющим входам одноименных электрооптических модуляторов первого блока вычисления тригонометрического ряда, информационные входы электрооптических модуляторов всех блоков вычисления тригонометрического ряда оптически связаны с выходами одноименных ответвлений соответствующего оптического разветвления второй группы входного оптического разветвителя, входы оптических разветвлений второй группы которого оптически связаны с выходом источника когерентного излучения, в каждом блоке вычисления тригонометрического ряда выход электрооптического модулятора оптически связан с входами одноименных оптических ответвлений первой и второй групп, выходы оптического ответвления первой группы непосредственно, а оптического ответвления второй группы через одноименные неуправляемый фазовый модулятор и дефлектор света оптически связаны с одноименным входом оптического сумматора своего блока вычисления тригонометрического ряда, выход оптического сумматора каждого блока вычисления тригонометрического ряда оптически связан с входом своего блока вычисления тригонометрического ряда, выход фотоприемника первого блока вычисления тригонометрического ряда подключен к одному входу второго сумматора, другие входы которого соединены с выходами блоков вычитания константы оптических функциональных преобразователей второй группы, соединенными с первыми входами одноименных умножителей второй группы и с управляющими входами соответствующих электрооптических модуляторов второго блока вычисления тригонометрического ряда, выход фотоприемника которого подключен к соответствующему входу первого сумматора, выход которого подключен к входу вычитаемого первого блока вычитания, вход уменьшаемого которого соединен с выходом второго сумматора, соответствующий вход которого соединен с выходом первого умножителя, первый вход которого соединен с информационным входом фильтра, а второй с выходом второго блока вычитания, вход уменьшаемого которого соединен с выходом фотоприемника третьего блока вычисления тригонометрического ряда, а вход вычитаемого с выходом третьего сумматора, входы которого соединены с выходами блоков вычитания константы оптических функциональных преобразователей третьей группы, подключенными к управляющим входам одноименных электрооптических модуляторов третьего блока вычисления тригонометрического ряда и к первым входам умножителей третьей группы, выходы которых подключены к входам шестого сумматора и к управляющим входам соответствующих электрооптических модуляторов шестого блока вычисления тригонометрического ряда, в котором управляющие входы всех дефлекторов света соединены с выходом первого интегратора, вход которого соединен с выходом первого блока вычитания, выход фотоприемника шестого блока вычисления тригонометрического ряда подключен к входу уменьшаемого четвертого блока вычитания, вход вычитаемого которого соединен с выходом шестого сумматора, а выход подключен к первому входу второго умножителя, второй вход которого соединен с информационным входом фильтра, а выход подключен к входу пятого сумматора, выход которого подключен к входу уменьшаемого третьего блока вычитания, а входы соединены с выходами одноименных умножителей второй группы, подключенными к управляющим входам соответствующих электрооптических модуляторов пятого блока вычисления тригонометрического ряда, выход фотоприемника которого подключен к соответствующему входу четвертого сумматора, другие входы которого соединены с выходами умножителей первой группы и с управляющими входами соответствующих электрооптических модуляторов четвертого блока вычисления тригонометрического ряда, выход фотоприемника которого подключен к входу пятого сумматора, выход четвертого сумматора подключен к входу вычитаемого третьего блока вычитания, выход которого подключен к входу второго интегратора, выход которого является выходом устройства для параметра σ и подключен также к входу управляемого источника излучения, выход которого оптически связан с входами соответствующих ответвлений оптических разветвлений групп оптического разветвителя, выходы которых оптически связаны с управляющими входами соответствующих управляемых фазовых модуляторов, выход блока вычитания константы первого оптического функционального преобразователя подключен к вторым входам умножителей всех групп.