Адаптивный измеритель параметров сигнала Советский патент 1982 года по МПК G01R23/00 

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано в радио- и гидролокационных системах траекторных измерений| где для определения параметров движения излучающих объектов в условиях ограниченной априорной информации о динамике их движения используется связь этих параметров с параметрами принимаемого сигнала - фазой, частотой и др.

Известно устройство для измерения частоты (периода) сигналов, содержащее последовательно соединенные счетчик чисел, соответствующих моментам нуль-пересечений, умножитель и сумматор, счетчик числа нуль-пересечений, вход которого соединен с первым входом счетчика чисел, соответствующих моментам нуль-пересечений, генератор эталонных меток времени, соединенный выходом с вторым входом счетчика чисел, соответствующих моментам нуль-пересечений, блок вычитания, ячейку памяти и делитель,при этом выход счетчика числа нуль-пересечений и первый выход ячейки памяти подсоединен к входам блока вычитания, выход которого соединен с вторым входом блока умножения, второй выход ячейки паьвдти и выход сумматора подсоединен к входам делителя, поток нуль-пересечений исследуемого сигнала поступает на объединенные входы счетчика чисел, соответствующих моментам нуль-пересечений и счетчик числа нуль-пересечений 1.

Однако, при несоответствии дина10мики движения излучающего объекта принятой модели, точность измерения ухудшается - появляется неизвестная систематическая ошибка, которая по величине может значительно превос15ходить уровень флюктуационной составляющей ошибки измерения. Следовательно, применение данного устройства в практике траекторных измерений ограничено, так как точность измерения

20 периода сигнала, определяющего относительный доплеровский сдвиг, а следовательно и скорость движения объекта,-в значительной мере зависит от динамики движения объекта.

25

Известно также устройство для измерения периода сигналов и их производных, содержащее последовательно соединенные блок прореживания нульпересечений и формирователь чисел,

30 соответствующих моментам нуль-пересечений, счетчик числа нуль-пересечений, вход которого соединен с выходом блока прореживания нуль-пересечений, решающий блок, накапливающий сумматор, блок сравнения, элемент ИЛИ, буферный регистр и ячейку памяти, при этом входы накапливающего сумматора подсоединены к выходам формирователя чисел, соответствующих моментам нуль-пересечений, выходы накапливающего сумматора подсоединены к входам буферного регистра,, выходы которого соединены с входами решающего блока, выходы счетчика числа нуль-пересечений сое,цинены с первой группой входов блока сравне-, НИН, к второй группе входов которого подсоединена первая группа выходов ячейки памяти, вторая группа выходов ячейки памяти соединена с соответствующими входами элемента ИЛИ, выход которого подсоединен к управляющему входу буферного регистр поток нуль-пересечений поступает на вход блока прореживания нульпересечений . Это устройство обладает большими функциональными возможностями по сравнению с первым/ так как позволя устранить смещения оценки периода, и начальной фазы сигналов обусловленные ускорениями объекта н .интервале наблюдения, и измерить производную периода Существеннным недостатком такого устройства является низкая точность в условиях ограниченной априорной информации о динамике, движения объе та по сравнению с точностью, когда степень полинома выбрана по методу наименьших квадратов из условия минимума суммарной ошибки (флюктуационной и динамической). Этот недоста ток может быть преодолен в адаптивном устройстве, которое по принятом сигналу в сложившейся помеховой обстановке, выбирает необходимую степень полинома. Цель изобретения - повышение точ ности измерений параметров сигнала, излучаемого движущимся объектом,при ограниченной априорной информации о ;сщнамике движения объекта. Поставленная цель достигается те что в известное устройство, содержа щее последовательно соединенные бло прореживания нуль-пересечений и формирователь чисел,соответствующих яоментам нуль-пересечений, счетчик числа нуль-переёечений, вход которо го соединен с вь1ходом блока прорежи вания нуль-пересечений, первый блок сравнения, блок памяти, блок управления и решающий блок, причем выход счетчика числа нуль-пересечений под соединены к первой группе входов блока сравнения и к адресным входам блока памяти, вторая группа входов блока сравнения соединена с выходами блока памяти, а ее выход подсоединен к входу блока управления, дополнительно введены последовательно соединенные формирователь статистик (статистических сумм), блок матричного умножения, формирователь отношения сигнал-шум и второй блок сравнения, выходы которого подсоединены к входам решающего блока, входы формирователя статистик соединены с выходами формирователя чисел, соответствующих моментам нуль-пересечений, выходы блока матричного умножения также подсоединены к соответствуюпдам входам второго блока сравнения а вторая группа выходов формирователя статистик соединена с второй группой входов формирователя отношения сигнал-шум, выходы блока памяти подсоединены к соответствующим входам формирователя статистик, блока матричного умножения, формирователя отношения сигнал-шум и решающего блока, управляющие входы которых соединены с выходами блока управле. ния, поток исследуемых нуль-пересечений фазового сигнала поступает на вход блока прореживания нульпересечений .. На фиг.1 приведена структурная электрическая схема предлагаемого адаптивного измерителя параметров сигнала; на фиг.2-5 даны варианты выполнения с помощью элементов цифровой вычислительной техники- схем формирователя статистик( блока матричного умножения, формирователя отношения сигнал-шум и блока сравнения соответственно. Измеритель содержит, последовательно соединенные блок 1 прореживания нуль-пересечений и формирователь 2 чисел, соответствующих моментам нуль-пересечений, счетчик 3 числа нуль-пересечений, вход которого соединен с выходом блока 1 прореживания нуль-пересечений, формирователь 4 статистик, первый блок 5 сравнения, блок 6 матричного умножения, блок 7 памяти, формирователь 8 отношения сигнал-шум, блок 9 управления .блок 10 сравнения и решакяций блок 11. Поток исследуемых нуль-пересечений сигнала поступает на вход 12 блока 1прореживания нуль-пересечений, выходы счетчика 3 числа нуль-пересечений подсоединены к первой группе входов первого блока 5 сравнения и к адресным входам блока 7 памяти, вторая группа выходов первого блока 5 сравнения соединена с выходами блока 7 памяти, а ее выход подсоединен к входу блока 9 управления, выходы которого также подсоединены к управляющим входам блока 7 памяти и решающего блока 11, выходы фоомирователя 2чисел, соответствующих моментам нуль-пересечений, соединены с входа ми 13 формирователя 4 статистик, к вторым входам 14 которого подсоеданены соответствующие выходы блока 7 памяти, а к управляющим .входам 15 соответствующие выходы блока 9 упра ления, первая группа выходов 16 фор мирователя 4 статистик подсоединена к входам блока б матричного умножения, вторая группа выходов 17 форми рователя 4 статистик соединена с входами 18 формирователя 8 отношени сигнал-шум, вторая группа входов 19 блока 6 матричного умножения подсое динена к соответствующим выходам блока 7 памятиj управляющие входы 20 блока б матричного умножения сое динены с соответствующими выходами блока 9 управления, выходы 21 блока б матричного умножения соединены с входами 22 формирователя 8 отношения сигнал-шум, управляющие входы 2 которого подсоединены к выходам бло ка 9 управления, а вторые входы 24 к соответствующим выходам блока 7 памяти, две группы выходов 25 и 26 формирователя 8 отношения сигналшум подсоединены к входам вторичног блока 10 сравнения, входы 27 которо го соединены с выходами 21 блока 6 матричного умножения, выходы 28 вто рого блока 10 сравнения подсоединен к входам решающего блока 11, к соответствующим входам которого также подсоединены выходы блока 7 памяти. Измеритель содержит множители 29,34 и 41 для двух чисел, квадраторы 31 и 38, накапливающие сумматоры 30,32,35 и 39, оперативные запоминающие устройства 33,36 и 42, коммутатор 37; ячейку 40 вычитания, ячейку 43 сравнения двух чисел, многоразрядный ключ 44. Предлагаемый адаптивный измеритель параметров сигнала работает следующим образом. Принимаемая от движущегося излучающего объекта смесь сигнала с амплитудой Sp , частотой (, и полной фазой f(t) и шума n(t) имеет вид ;ujt) Socos 2ltft + fCt) + n(t), причем основную информационную нагрузку в сигнале несет полная фаза 4(t) (fo ui Ct-to)-(t-to).... где (У - доплеровская частота, характеризующая радиальную скорость источника; UD - производная доплеровской частоты, пропорционгшьнаш ускорению наблюдаемогообъекта;tg - начальный момент времени. Из принимаемой смеси сигнала и 1шума после узкополосной фильтрации формируется временная последователь ность нуль-пересечений, которс1Я является входным сигналом для адаптивного измерителя. Так как соседние по времени значения последовательности нуль-пересечений могут быть коррелированными, то в блоке 1 прореживания нуль-пересечений формируется поток статистически независимых нулей процесса делением входной импульсной последовательности в р раз. Отсчеты времени, соответствующие моментам выпадения некоррелированных нуль-пересечений, формируются в блоке 2. Дальнейшая обработка входного сигнала производится в предположении, что моменты нуль-пересечений аппроксимируются номиналом степени m tfc + . 4) к,СЗ) где - случайная нормальная величина с нулевым средним и дисперсией (Tj .Коэффициенты полинома (3) непосредственно связаны с интересующими- нас параметрами сигнала известными соотношениями. Частота сигнала CtK)ПериодлТ(.1к)-Т,-Т,4((к«-Г)... (i;) Производная частоты f (t) -AT(t)/T (t)(6) л л ffгде T(iк).((7) 4.ik,-. Фаза сигнала в заданный момент времени, m)-2;rtt ao)c-t-to)H-to)V.., - , - где t d.0 В известных устройствах формирование оптимальцрй оценки значений коэффициентов ot / о , о( ,. . .ot, при выбранной степени полинома прризводится методом наименьших квадратов. Для получения наивысшей точности необходимо, подбирать степень аппроксимирующего полинома, что связано с пределением коэффициентов полинома о ходу вычислений и значительным сложнением вычислителя и уменьшеним его йлстродействия. Для упрощения технической реал иации лучше аппроксимировать вреенную последовательность нуль-переечений Jt,tj, ..,, t j I с помощью полиномов чебышева V-loNf . )-., (10) с условием ортогональности I Ч-(1с)Ч-и). ц i I О -пути ii i. Нетрудно определить связь между коэффициентами вырах ений (3) и (10 при условии (11) Too То 1 , vr rit.N+--- -TiyriPm УУ,Гуу,у„,( а, следовательно, и между коэффициентами Р) полинома Чебышева и параметрами сигнала. Адаптация измерителя параметров сигнала к динамике движения объекта состоит в определе нии оптимального числа членов разложения (9) с использованием метода наименьших квадратов (г.м-.-Дд1н.|р,Ц ,(, Значения |Ь , минимизирующие условие (14), определяются выражением, которое с учетом (10) имеет вид л N А Р оТоо Ьх л мл N л ,. -N ... л ,.о| к--Тп,. Основной операцией над числами, соответствующиьли моментам выпадения некоррелированных нуль-пересечений, которые формируются в блоке 2, явля ется процедура форглирования достато N м л N m f ных статистик l..; , т K-tn ,.... -t -N -N-N Полученные статистики в соответствии с (14) в блоке матричного умножения умножаются -на коэффициенты if . Для составления правила адаптаци используют суммарную ошибку при аппроксимации полиномами Чебышева вре менной последовательности нуль-пере 1сечений пг г .. о г Х15) .,4(K)-..r,G. где Ор - дисперсия флюктуации нуль пересечений ; М - действительная степень полинома, описывающего ин формационную последовател ность t ,t , . . .,t . Очевидно, что при увеличении числа членов разложения динамическая схии б ка уменьшается каждый раз на (%, Однако одновременно возрастает флюк туационная ошибка на Go Введем следующее правило учета в разложении (12) коэффициентов fi . Если выполняется условие (10), то слагаемое PV V Ск ) в разложении учитывается. В противном случае слагаемое отбрасывается. Введенный критерий качества полиноминальной аппроксимации предполагает реализацию ВТОРОЙ основной процедуры - формирование отношения сигнал-шум,пропор;.ционального дисперсии флюктуации нуль-пересечений GQ и сравнения коэффициентов разложения полиномов Чебышева с порогом, равным (У . Целесообразно формировать отношение сигналшум по результатам измерений обрабатываемой выборки нуль-пересечений. Для этого необходимо реализовать процедуру определения в соответствии с правилом N л -j. ум л o-(2NM-.«)- U:-If,-.(17) и использовать полученное значение дисперсии в качестве значения порога для определения истинной динамической модели движения наблюдаемого объекта. Ввиду того, что используются не истинные значения коэффициентов f} , а их оценки - , порог во втором блоке сравнения устанавливается из условия P Я 4tг.2гдеУр(1) - квантиль X распределения с одной степенью свободы при заданной вероятности р, Таким образом, числа t., , соответствующие моментам выпадания нульпересечений, сформированные в блоке 2, поступают в формирователь 3 статистик на объединенные входы т+1 умножителей 29 и квадратора 31. Одновременно с этим числа из счетчика числа нуль-пересечений 3 поступают на адресные входы блока 7 памяти,из . которого вызываются числа 1, k , k , . . . , подаются на соответствующие вторые входы умножителей 29. В результате на выходе первого умножителя формируется числовая последовательность t , -f j;, . . . , tiuti / a на выходе m+1-ro умножителя 29 формируется последовательность t , 2 t, -, , . . . , гч- ц . На выходе квадратора 31 по мере поступления чисел t к фop /мpyeтcя последовательность 1. Л1 АИ.. 2. t, , tK . . . Полученные последовательности подаются на входы соответствующих накапливающих сумматоров 30 и 32, работа которых тактируется блоком 9 управления. К концу выборки из (-ZN+I) нуль-пересечений на выходах т+1 сумматоров 30 накапливаются статистики N - ...-N 11С-1,„...Д . а На выходе накап14 w ливающего сумматора 32 - статистика . В конце выборки на выходе первого блока сравнения появляется импулвс, Зсщающий длительность интервала наблюдения. Указанный импульс поступает на вход блока 9 управления и вырабатывает команду на запрещение поступления чисел, соответствующих моментам нуль-пересечений, в блок формирования статистик и команду на запись подкаченных статистик в оперативное запоминающее устройство 33 в блоке 4 формировани статистик. Затем по команде блока 9 управления из блока 7 памяти элемен ты матрицы .; последовательно пост пают в блок б матричного умножения, где в соответствии с выражением (17 умножаются на вызванные из оператив ного запоминающего устройства 33 Н,.,тГ элементы вектора статистик . лК -ti. полученные IB накапливающем сумматоре 35 в соответствии с (14) суммы пред ставляют собой элементы вектора оце нок полиномов Чебышева р , которые по команде блока 9 управления.переписываются в оперативное запоминающее устройство 36, Далее по команде блока управления указанные коэффициенты . из оперативного запоминаю щего устройства 36 блока 6 матрично го умножения последовательно поступают в формирователь 8 отношения сигнал-шум, где через коммутатор 37 поочередно подаются на квадратор 38 на выходе которого последовательно формируются-квадраты оценок козффици ентов разложения. А- и переписывают ся в оперативное запоминающее устро ство 42. По кс манде блока управлени данные числа также суммируются накапливающем сумматоре 39, с выход которого число 2 подается на пер irO 1 вые входы блока 49 вычитания, а на вторые входы его вызывается число N JL.3;- с выходов 17 оперативного за-м к по1 1инающего устройства 33 формирова теля 4 статистик. На выходе блока 4 вычитания формируется разность гм г W ла-1 it-K-z. . Разность умножается в блоке 41 умножения на число (2N+1-т)х Р (1) , поступающее из блока 7 памяти, и переписывается в оперативное запоминающее устройство 42. С выхода 25 формирователя 8 отношения сигнал-шум число ) подается на первые входы второго блока 10 сравнения в качестве опорной величины, с которой в нем сравниваются оценки коэффициентов разложения , поступающие на вторую группу входов второго блока сравнения с выходов 26 формирователя 8 отношения сигнал-шум. При выполнении неравенства (18) второй блок сравнения чисел вырабатывает управляющий единичный потенциал, открывающий многоразрядный ключ 44, который пропускает числа р,- на входы решающего блока 11. Если неравенство не выполняется, второй блок сравнения чисел вырабатывает нулевой управляющий потенциал, запирающий многоразрядный ключ 44, запрещая прохождение числа f, в решающий блок 11. Таким образом, путем сравнения во втором блоке 10 сравнения флюктуационной и динамической составляющих ошибки измерения принимается решение о характере динамики движения наблюдаемого объекта и о степени полинома разложения. В решающем блоке 11 в соответствии с правилом (12) осуществляется переход от коэффициентов разложения по полиномам Чебышева и .коэффициентам разложения алгебраического аппроксимирующего полинома (5), для чего по команде блока управления подаются числа, соответствующие элементам преобразующей матрицы (12), на выходе решающего блока 11 формируется вектор оценок параметров си1- т , О лл нала оС //odo сС , . . . общ // . Формула изобретения Адаптивный измеритель параметров сигнала, содержащий последоватсшьно соединенные блок прореживания нульпересечений и формирователь чисел, соответствующих моментам нуль-пересечений, счетчик числа нуль-пересечений, вход которого соединен с выходом блока прореживания нуль-пересечений, первый блок сравнения,блок памяти, блок управления и решающий блок, причем выходы счетчика числа нуль-пересечений подсоединены к первой группе входов блока сравнения и к адресным входам блока памяти, вторая группа входов блока сравнения соединена с выходами блока памяти, а ее выход подключен к входу блока управления, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения параметров сигнала, излучаемого движущимся объектом, при ограниченной априорной информации о динамике движения объекта, дополните:льно введены последовательно соединенные формирователь статистик, блок матричного умножения, формирователь отношения сигнал-шум и второй блок сравнения,выходы которого подсоединены к входам решающего блока, входы формирователя статистик соединены с выходами формирователя чисел, соответствующих моментам нуль-пересечений , выходы блока матричного умножения также подсоединены к соответст- j

вующим входам второго блока сравнения, а вторая группа выходов формирователя статистик соединена с второй группой входов формирователя отношения сигнал-шум, выходы блока памяти подсоединены к соответствующим входам формирователя статистик, блока матричного умножения, формирователя отношения сигнал-шум и решающего блока, управляющие входы которых соединены с выходами блока управления, поток исследуемых нуль-пересечений сигнала поступает на вход блока прореживания нуль-пересечений.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Авторское свидетельство СССР 700842, кл.С 01 R 23/00, 1979.

2.Авторское свидетельство СССР по заявке № 2865396/18-21, .t,%RO.

Г2о-

7У V

Фиъ.1