Устройство для спектрально-временного анализа сигналов Советский патент 1992 года по МПК G01V1/00 

Изобретение предназначено для измерения спектральных характеристик сигналов волновых процессов различной природы: акустических, сейсмических и других и может быть использовано, в частности, при исследовании неоднородных сред, геологических съемках.

Существуют различные устройства измерения характеристик спектра сигналов, в том числе и устройства-анализаторы спект- , ра, где спектральные характеристики получаются как результат воздействия исследуемого процесса на.избирательный четырехполюсник, который реализуется либо набором полосовых фильтров, параллельно или последовательно соединенных, либо с помощью дисперсионных линий .задержки,

либо на цифровом фильтре, либо на сочетании цифровых и аналоговых устройств.

Такая же методика измерений использована и в известном устройстве, в котором записанный на магнитной ленте сигнал в электрическом аналоговом виде подается на вход электрической схемы, содержащей переменные полосовые фильтры, где последовательно отфильтровываются спектральные компоненты, которые регистрируются на индикаторе в координатах частота - время - амплитуда. Указанное устройство содержит последовательно соединенные блок воспроизведения записи анализируемого сигнала,узкополосный перестраиваемый частотный фильтр, усилитель, регистратор спектра в координатах частота - амплитуда - время.

О

ю

Недостатком данного устройства является то, что получаемые спектрограммы хотя и позволяют обнаруживать наличие характерных мод и дают возможность проследить за развитием изучаемого процесса во времени, но обладают недостаточной разрешающей способностью для исследования и оценки параметров модовой структуры изучаемого поля, т.е. не обладают достаточной информативностью.

Целью изобретения является повышение разрешающей способности и информативности устройства за счет обеспечения возможности более точного и однозначного выделения наблюдаемых мод.

Указанная цель достигается тем, что в устройство для спектрально-временного анализа сигналов, содержащее блок воспроизведения записи анализируемого сигна- ла. блок согласования напряжения и последовательно соединенные узкополосный перестраиваемый частотный фильтр, усилитель, регистратор спектра в координатах частота - амплитуда - время, подключенный вторым входом к первому выходу блока синхронизации считывания, вторым выходом которого является второй вход узкополосного перестраиваемого частотного фильтра, а входом - выход задатчика периода считывания, между блоком воспроизведения записи анализируемого сигнала и блоком согласования напряжения введены аналого-цифровой преобразователь, блок сопряжения, блок пороговой селекции, задатчик уровня порога, дешифратор, счетчик времени задержки, счетчик длительности сигнала, задатчик периода выборки отсчетов, блок выполнения функции вида Т -V (1ъ + г ) 2 - to 2 гДе to время задержки прихода сигнала от момента синхронизации, т - текущее значение длительности сигнала блок управления записью, блок памяти и цифроаналоговый преобразователь, причем вход аналого-цифрового преобразователя соединен с первым выходом блока воспроизведения записи анализируемого сигнала, а выход - с первым входом блока сопряжения, второй вход которого соединен с первым выходом блока управления записью, подключенного вторым выходом к первому входу блока памяти, вторым входом которого является первый выход блока сопряжения, вторым своим выходом соединенного с первым входом блока пороговой селекции, второй вход которого подключен к выходу Задатчика уровня порога, а первый - третий выходы блоке пороговой селекции подключены соответственно к первому входу счетчика времени

задержки, первому входу блока управления записью и первому входу счетчика длительности сигнала, вторым входом которого является первый выход задатчика периода

выборки отсчетов, подключаемого вторым выходом к второму входу блока управления записью, третий вход которого соединен с выходом блока выполнения функции вида Т - /.(to + r)2-to 2- п ервы и 11 второй входы которого соединены с выходом счетчика длительности сигнала и выходом счетчика времени задержки, соединённого вторым входом с выходом дешифратора, подключенного своим входом к второму выходу блока воспроизведения записи анализируемого сигнала, выход блока памяти подключен к входу блока согласования напряжения, соединенного своим выходом с первым входом цифроаналогового преобразователя, выходом которого является второй вход узкополосного перестраиваемого частотного фильтра, а с вторым входом цифроаналогового преобразователя соединен третий выход блока синхронизации считывания, четвертый выход которого подключен к третьему входу блока памяти,

Блок выполнения функции вида Т -V(t0 +r)2-to2 содержит последовательно соединенные сумматор, первый

квадратор, вычитатель, блок извлечения корня, буферный регистр и подключенный к второму входу вычитателя второй квадратор, причем первый вход сумматора соединен с выходом счетчика длительности

сигнала, а второй вход сумматора и вход второго квадратора соединены с выходом счетчика времени задержки, выход буферного регистра является третьим входом блока управления записью.

На фиг. 1 показана схема предлагаемого устройства; на фиг.2 - схема блока выполне- ния функции вида Т - V(t0-fr)2-t02 на фйг.З - то же, вариант.

Устройство (фиг. 1) содержит блок 1 воспроизведения записи анализируемого сигнала, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 2, блок 3 сопряжения, блок 4 пороговой селекции, задатчик 5 уровня порога, дешифратор 6. счетчик 7 времени задержки,

блок 8 выполнения функции вида Т (to +V)2-t02 блок 9 управления записью, счетчик 10 длительности сигнала, задатчик 11 периода выборки отсчетов, блок 12 памяти, блок 13 согласования налряжения, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 14, узкополосный перестраиваемый частотный фильтр (УПФ) 15, усилитель 16, регистратор 17, блок 18 синхронизации считывания и задатчик 19 периода считывания.

Первый выход блока 1 воспроизведения записи анализируемого сигнала через АЦП 2 соединен с первым входом блока 3 сопряжения, второй вход которого соединен с первым выходом блока 9 управления записью, соединенного вторым выходом с первым входом блока 12 памяти, вторым входом которого является первый выход блока 3 сопряжения, соединенного вторым выходом с первым входом блока 4 пороговой селекции, второй вход которого подключен к за датчику 5 уровня порога, а первый - третий выходы подключены соответственно к первым входам счетчика 7 времени задержки, блока 9 управления записью и счетчика 10 длительности сигнала, вторым входом которого является первый выход задатчика 11 периода выборки отсчетов, подключённого своим вторым выходом к второму входу .блока 9 управления записью, третий вход которого соединен с выходом блока 8 выполнения функции вида Т e/(to +r)2-to первый и второй входы которого соединены соответственно с выходами счетчика 10 длительности сигнала и счетчика 7 времени задержки, соединенного вторым входом с выходом дешифратора 6, подключенного своим входом к второму выходу блока 1 воспроизведения записи анализируемого сигнала. Блок 12 памяти подключен своим выходом к последовательно соединенным блоку согласования 13 напряжений, ЦАП 14.УПФ 15, усилителю 16 и регистратора 17, а третий вход блока 12 памяти и вторые входы ЦАП 14, УПФ 15 и регистратора 17 подключены, к соответству ющим выходам блока 18 синхронизации считывания, подключенного своим входом к выходу эадатчика 19 периода считывания.

Блок 8 выполнения функции вида Т ( (Фиг.2) содержит последовательно соединенные сумматор 20, первый квадратор 21, вычитатель 22, блок 23 извлечения корня, буферный регистр 24 и подключенный к второму входу вычитате- ля 22 второй квадратор 25, :-S:

Блок 1 воспроизведения записи анализируемого сигнала предназначен для воспроизведения записанного на магнитном носителе (ленте, кассете, диске) исследуемого сигнала и опорного синхроимпульса и получения на выходе электрического анало- гового сигнала. В качестве этого блока может быть использован магнитофон, с первого выхода которого снимается напряжение, соответствующее сигналу, а с второго - опорному синхроимпульсу.

АЦП 2 обеспечивает преобразование электрического напряжения сигналов, Поступающих с первого выхода блока 1, в соответствующий цифровой код.

Блок 3 сопряжения предназначен для согласования параметров сопряжения и 5 обеспечения взаимодействия АЦП с блоками 4 и 12, для приема и хранения данных, поступающих от АЦП в течение одного цикла преобразования аналоговой информации, и выдачи их в блоки 4 и 12.

0 Блок 4 пороговой селекции предназначен для выделения полезного сигнала и определения момента его прихода, что обеспечивается путем сравнения поступающего из блока 3 кода с заданной с помощью

5 блока 5 величиной уровня порога. При первом превышении и по. окончании превышения этого порога из блока 4 выдаются сигналы в счетчики 7 и 10 и блок 9.

За датчик 5 уровня порога обеспечивает

0 возможность задания определенного уровня порога и преобразование этой величины в соответствующий код для выдачи в блок 4. Дешифратор 6 служит для выделения опорного синхроимпульса, выработки в мо5 мент его прихода управляющего импульса и выдачи его на счетчик 7.

Счетчик 7 времени задержки обеспечивает определение времени прихода (задер- жки) сигнала от момента синхронизации to

0 и выдачу его значения в АЦП 2. Запуск этого счетчика производится импульсом, поступающим из дешифратора 6, а останов - пульсом из блока 4, вырабатываемым в первый момент прихода сигнала (превыше5 ния установленного порога).

Блок 8 выполнения функции вида Т -V(t0 -f r)2-to2 обеспечивает выполнение указанных операций над величинами to и г, поступающими соответственно из

0 счетчиков 7 и 10, и выдачи полученного значения Т - модифицированного времени в блок 9.

Блок 8 содержит (фиг.2) сумматор 20, обеспечивающий выполнение операции

5 сложения над данными to и г, поступающими из счетчиков 7 и 10 соответственно, и выдачу полученного результата в квадратор 21, обеспечивающий выполнение операции возведения в квадрат величины, постулаю0 щей из сумматора 20, и выдачу полученного результата в вычитатель 22, обеспечиваю- , щий выполнение арифметической операции вычитания над величинами (to + т)2 и to2, поступающими из квадраторов 21 и 25 соот5 ветственно, и выдачу полученного результата в блок 23 извлечения квадратного корня, обеспечивающий выполнение указанной операции над величиной, поступающей из вычитателя 22, и выдачу результата в регистр 24, служащий для промежуточного хранения данных, поступающих из блока 23, и выдачи их в блок 9, второй квадратор 25, обеспечивающий выполнение операции возведения в квадрат значения величины времени to. поступающего из счетчика 7, и выдачу полученного результата в вычита- тель22.

Блок 9 управления записью предназначен для организации и синхронизации рабо- ты блоков 3,4,8, задатчика 11 и блока 12 памяти и обеспечивает прием из блока 4 импульса начала сигнала, из блока 8 - значений модифицированного времени Т, из задатчика 11 - заданного периода выборки отсчетов, а также выработку управляющих сигналов и выдачу в блок 3 команды на выдачу кода сигнала в блок 12 и в последний - команды на приём и обеспечение записи поступившего из блока 3 кода сигнала в ячейку памяти, адрес которой определяется в блоке 9 в соответствии со значениями полученного из блока 8 параметра Т.

Счетчик 10 длительности сигнала обеспечивает определение текущих значений времени г, отсчитываемого от начала прихода сигнала до его прекращения (или прерывания), и выдачу этих значений в блок 8 в соответствии с заданным в задатчике 11 периодом выборки отсчетов.

Запуск и останов этого счетчика производится по командам блока 4.

Задатчик 11 периода выборки отсчётов обеспечивает возможность задания определенного периода дискретизации, преоб- разование этой величиныв

соответствующий код и выдачу его в счетчик ТО и блок 9.

Блок 12 памяти представляет собой запоминающее устройство, обеспечивающее по команде из блока 9 прием и хранение кодов сигналов, поступающих из блока 3, в ячейках памяти в соответствии с указанными из блока 9 адресами, а также прием из блока 18 команд на считывание и выдачу хранимых кодов в ЦАП 14 через блок 13.

Блок 13 согласования напряжения обеспечивает сопряжение блока 12 и ЦАП 14 и согласование их электрических параметров.

ЦАП 14 предназначен для преобразова- ния поступающих кодов в напряжения, пропорциональные значениям кодов, и выдачу их в фильтр 15.

УПФ 15 предназначен для выделения сигналов в назначенной полосе пропуска- ния и обеспечивает плавное изменение полосы пропускания при переходе на новый цикл считывания. УПФ разработан на основе активного фильтра с независимой регулировкой частоты и добротности, в нем

обеспечивается возможность коррекции зависимости коэффициента передачи фильтра в целом от частоты его настройки.

Согласующий усилитель 16 обеспечивает стыковку по электрическим параметрам фильтра 15 и регистратора 17 и позволяет регулировать величину входной мощности сигнала, поступающего на вход регистратора 17.

Регистратор 17 предназначен для регистрации и воспроизведения в наглядном виде в координатах частота - время - амплитуда результатов спектрально-временного анализа сигналов. В устройстве применен самописец с яркостной записью (с помощью электрической искры), который обеспечивает запись уровня сигнала, принятого из усилителя 16, развертку пера (в обе стороны) и протяжку электротермической бумаги по командам, поступающим из блока 18.

Блок 8 синхронизации считывания организует синхронную работу блоков 12, ЦПА 14, фильтра 15, регистратор 17 и обеспечивает выработку управляющих импульсов в соответствии с заданным из блока 19 циклом и выдачу в блок 12 команды на считывание и выдачу хранимой в нем информации, в ЦАП 14 - команды на его запуск, в фильтр 15 - команд на переключение фильтров, в регистратор 17 - команд на управление работой регистратора.

Задатчик 19 периода считывания обесг печивает возможность задания значения цикла считывания, а также значений исследуемого частотного диапазона, полосы про- пускания фильтров, опорной частоты настройки, преобразование этих значений в коды и выдачу их в блок 18.

Устройство работает следующим образом.

Записанный на магнитной ленте сигнал воспроизводится в блоке 1. При этом опорный синхроимпульс с одного из выходов магнитофона через дешифратор 6 поступает на вход счетчика 7 и не запускает его tia отечет времени to. а сигнал, преобразованный в цифровой код в АЦП 2, через блок 3 сопряжения подается на вход блока 4 пороговой селекции, где производится его сравнение с заданным из блока 5 пороговым значением. В момент превышения этого порога в блоке 4 вырабатывается сигнал, который, поступая на вход счетчика 7, останавливает его, поступая на вход счетчика 10, запускает его на отсчет длительности сигнала т , а поступая на вход блока 9 управления записью, дает информацию о необходимости подготовки к приему и записи кода сигнала в память (из блока 3 в блок 12).

При этом выдача управляющих сигналов из блока 9 в блок 3 и в блок 12 производится с частотой, задаваемой задатчиком 11. С этой же дискретностью производится выдача из счетчика 10 в блок 8 текущих значений дли- 5 тельности сигнала т. Выработанное в счетчике 7 значение времени задержки сигнала to додается на вход блока 8, где вычисляется Т - V +T) и определяется значение модифицированного времени Т, 10 которое поступает на вход блока 9 управле- ния записью.

В блоке 9 полученному коду значения Т приводится в соответствие определенный номер ячейки, которая является адресной 15 ячейкой для записи кода сигнала, поетупа- . ющего из блока 3, вблоке 12 памяти.

Таким образом, происходят преобразование исследуемого сигнала к новому виду, его запись и хранение в новом модифициро- 20 ванном масштабе времени в блоке 12 памяти. Следующий этап работы устройства обеспечивает дальнейшую обработку сигна- . ла по считыванию, фильтрации и регистрации. Для выполнения этих операций с 25 задатчика 19 задается период считывания, исследуемый частотный диапазон, полоса пропускания фильтра, опорная частота его настройки. Указанные значения поступают на вход блока 18 синхронизации считыва- 30 ния, где вырабатываются на их основе ко- манды управления, поступающие в блок 12 памяти, ЦАП 14, УПФ 15 и регистратор 17. В соответствии с этими командами произво- дитея в регистраторе 17 протяжка бумаги на 35 новый шаг и установка пера-в исходное положение, а затем его развертка с прожиганием по оси времени отметок, яркость которых определяется величиной напряжения сигнала, считанного из блока 12, преоб- 40 разов а иного в электрический аналоговый вид в ЦАП 14 после прохождения через блок 13 согласования напряжения, а затем отфильтрованного после ЦАП 14 в УПФ 15 в заданной полосе частот и усиленного в со- 45 гласующем усилителе 16. В результате в регистраторе 17 получаем спектрограмму анализируемого сигнала.

Кроме представленного на фиг. 1 варианта выполнения устройства, возможны 50 другие примеры его выполнения. Так, когда на магнитной ленте записан только исследуемый сигнал, а запись синхроимпульса отсутствует, то в устройстве исключается дешифратор 6 и счетчик 7 времени задерж- 55 ки и соответственно их связи с блоками 1,4 и 8, но вводится дополнительно задатчик времени задержки для обеспечения ручного ввода в блок 8 значения to.

Возможен также вариант построения устройства/когда сигнал после проведенной посредством введенных блоков 2-11 модификации записывается в блок 12 памяти, а затем после преобразования их кода в аналоговый вид (блок 13 и ЦАП 14) подается на вход блока 1 для его записи на ленту с помощью магнитофона и проведения последующего анализа и регистрации.

Возможен также другой пример реализации блока 8 выполнения функции вида Т - V (to + т ) 2 2 (фиг.З), где реализуется преобразованная функция- ,

T V(to+r)2-to;

vV+2tor

с помощью квадратора 26, обеспечивающего выполнение операции возведения в квадрат величины т, умножителя 27, выполняющего операцию умножения над величинами t, Г0 и константой 2, сумматора 28, обеспечивающего сложение значений величин, поступающих из блоков 26 и 27, и выдачу результата в блок 29 для извлечения квадратного корня из этой величины и последующей выдачи в буферный регистр 30. Этот вариант содержит меньшее число, блоков, чем представленный на фиг.2.

Устройство позволяет в результате спектрально-временного анализа сигналов получать спектрограммы с более четким и однозначным выделением мод и определять их основные характеристики, обеспечивая тем самым повышение разрешающей способности и информативности устройства по сравнению с другими известными.

Формула изобретения 1. Устройство для спектрально-временного анализа сигналов, содержащее блок воспроизведения записи анализируемого сигнала, блок согласования напряжения и последовательно соединенные узкополосный перестраиваемый частотный фильтр, усилитель, регистратор спектра в координатах частота - амплитуда - время, подключенный вторым входом к первому выходу блока синхронизации считывания, вторым выходом которого является второй вход узкополосного перестраиваемого частотного фильтра, а входом - выход задатчика периода считывания, отличающееся тем, что, с целью повышения разрешающей способности и информативности устройства путем обеспечения возможности более точного и однозначного выделения наблюдаемых мод, в него между блоком воспроизведения записи анализируемого сигнала и

блоком согласования напряжения введены аналого-цифровой преобразователь, блок сопряжения, блок пороговой селекции, за- датчик уровня порога, дешифратор, счетчик в реме ни задержки, счетчик длительности сигнала, задатчик периода выборки отсче- тов, блок выполнения функции вида Т v ( to + т) 2 - to 2 глело время задержки прихода сигнала от момента синхронизации, г - текущее значение длительности сигнала, блок управления записью, блок памяти и цифроаналоговый преобразователь, причем вход аналого-цифрового преобразователя соединен с первым выходом блока воспроизведения записи анализируемого сигнала, а выход - с первым входом блока сопряжения, второй вход которого соединен с первым выходом блока управления записью, подключенной вторым выходом к первому входу блока памяти, вторым входом которого является первый выход блока сопряжения, вторым своим выходом соединенного с первым входом блока пороговой селекции, второй вход которого подкл ючен к выходу за датчика уровня порога, а первый - третий выходы блока пороговой селекции подключены соответственно к первому входу счетчика времени задержки, первому входу блока управления записью и первому входу счетчика длительности сигнала, вторым входом которого является первый выход задатчика периода выборки отсчетов, подключаемого вторым выходом к второму входу блока управления записью, третий

вход которого соединен с выходом блока выполнения функции вида Т Vjfto +Y)2-to первый и второй входы которого соединены с выходом счетчика

длительности сигнала и выходом счетчика времени задержки, соединенного вторым входом с выходом дешифратора, подключенного своим входом к второму выходу блока воспроизведения записи анализируемого сигнала, выход блока памяти подключен к входу блока согласования напряжения; соединенного своим выходом с первым входом цифроаналогового преобразователя, выходом которого является второй вход узкополосного перестраиваемого частотного фильтра, а с вторым входом цифроаналогового преобразователя соединен третий выход блока синхронизации считывания, четвертый выход которого подключен к третьему входу блока памяти.

2. Устройство по п.1, отличающее- с я тем, что блок выполнения функции вида +.т.) 2 .tp 2, содержит последовательно соединенные сумматор, первый

квадратор, вычитатель, блок извлечения корня, буферный регистр и подключенный к второму входу вычитателя второй квадратор, причем первый вход сумматора соединен с выходом счетчика длительности

.сигнала, а .второй вход сумматора и вход второго квадратора соединены с выходом Счетчика времени задержки, выход буферного регистра является третьим входом блока управления записью.

Изобретение предназначено для измерения спектральных характеристик сигналов волновых процессов различной природы: акустических, сейсмических и др. и может быть использовано, в частности, при исследовании неоднородных сред, геологических съемках. Цель изобретения - повышение разрешающей способности и информативности устройства за счет обеспечения возможности более точного и однозначного выделения наблюдаемых мод. Записанный на магнитном носителе в аналоговой форме сигнал пропускается через набор полосовых частотных фильтров и воспроизводится с использованием регистраторов спектра в координатах частота - амплитуда - время, дополнительно получаемый аналоговый сигнал преобразуют в цифровой код, переводят в модифицированный масштаб времени в виде Т

Фиг. I

Фиг.2

Фиг. 3