бикоррелометр

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.

Описание изобретения к патенту

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 ₁ времени интеграторов 3, 7 приемных каналов 1₁, 1₂, 1₃ определяется условием

₂₁ , где ₂ - 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[2F_1kt+_1k(t)]+n₁(t);

v₂(t) =A_2l(t)cos[2F_2lt+_2l(t)]+n₂(t);

v₃(t) =A_2m(t)cos[2F_2mt+_2m(t)]+n₃(t); где A_1k, A_2l, A_3m - амплитуды переменных составляющих входных сигналов;

_1k(t), _2l(t), _3m(t) - фазы переменных составляющих входных сигналов;

n₁(t), n₂(t), n₃(t) - гауссов шум.

Задающий генератор 16 формирует сигнал

U₁(t) = U ^. cos2 f_o(t).

Блок 17 квадратурных сигналов осуществляет формирование трех пар сигналов вида

U₂₁(t) = U_o ^. cos2 F₁ ^. t;

U₂₂(t) = U_o ^. sin2 F₁(t);

U₂₃(t) = U_o ^. cos2 F₂(t);

U₂₄(t) = U_o ^. sin2 F₂(t);

U₂₅(t) = U_o ^. cos2 F₃(t);

U₂₆(t) = U_o ^. sin2 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[2(f₁-f₂)t+₁-₂+₁₂], где ₁₂ - фазовый сдвиг, обусловленный несимметрией преобразования сигналов приемными каналами 1₁ и 1₂;

A₁(t), A₂(t) и ₁(t), ₂(t) - амплитуды и фазы выделенных приемными каналами 1₁, 1₂ гармонических составляющих входных сигналов V₁(t), V₂(t) соответственно;

₁ - 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{2[f₃-(f₁-f₂)]t+

+[₃-(₁-₂)]+₁₂+₁₂₃, где A₃(t) и ₃(t) - амплитуда и фаза выделенной приемным каналом 1₃гармонической составляющей входного сигнала V₃(t), биспектрально связанной с гармоническими составляющими каналов 1₁ и 1₂;

₁₂₃ - 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{2[f₃-(f₁-f₂)]t+₁₂+₁₂₃};

U₆(t)~sin{2[f₃-(f₁-f₂)]t+₁₂+₁₂₃}.

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 ₁₂ . 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 ₁₂₃ . Величины фазовых задержек ₁₂ и ₁₂₃ 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.