Результат интеллектуальной деятельности: Пороговое устройство с шумовой стабилизацией порога

Предлагаемое изобретение относится к приему сигналов, в частности, к технике выделения сигналов из шума и может быть использовано в любой области, где требуется обеспечение оптимального отношения порог/шум.

Известен метод стабилизации средней частоты шумовых выбросов над пороговым уровнем [1-2], заключающийся в определении частоты шумовых срабатываний на выходе порогового устройства и автоматической корректировки порога для поддержания заданной частоты срабатываний.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является пороговое устройство с шумовой стабилизацией порога [3], содержащее пороговое устройство с сигнальным и управляющим входами, формирователь стандартного импульса и схему шумовой автоматической регулировки порога, включенную между выходом формирователя стандартного импульса и управляющим входом порогового устройства. В данном устройстве определяют частоту шумовых срабатываний f на выходе путем накопления выходных импульсов в течение времени Т, а порог U в установившемся режиме определяется соотношением U=U₀+U_f=U₀+ΔUTf, где f=f₀exp(-U²/2σ²); U₀ - начальное значение порога; f₀ - частота пересечения шумом нулевого порога; σ - среднеквадратическое значение шума; ΔU - единичное приращение порога по контуру обратной связи при пересечении порога шумом.

Недостатком указанного порогового устройства является медленный выход на рабочий режим, обусловленный тем, что в процессе установления рабочего порога частота шумовых срабатываний уменьшается, и скорость переходного процесса, пропорциональная текущей частоте, снижается. Согласно [3] время Т_р выхода на рабочий режим при такой схеме составляет 1-6 с в зависимости от требований, предъявляемых к точности стабилизации частоты шумовых срабатываний.

Задачей изобретения является существенное уменьшение времени выхода на рабочий режим.

Указанная задача решается за счет того, что в известном пороговом устройстве с шумовой стабилизацией порога, содержащем пороговое устройство с сигнальным и управляющим входами, формирователь стандартного импульса и схему шумовой автоматической регулировки порога (ШАРП), включенную между выходом формирователя стандартного импульса и схемой управления порогом, связанной с управляющим входом порогового устройства, введена схема сброса порога, подключенная к пороговому устройству и управляемая с выхода тактового генератора, по выходу связанного со счетчиком тактов, на выходе импульсного формирователя введены ключ, управляемый с выхода счетчика тактов, и накопительный сумматор, выход которого подключен к схеме управления порогом, его информационный вход связан с выходом формирователя стандартного импульса, управляющий вход - с выходом счетчика тактов, при этом схема управления порогом снабжена схемой повышения уровня порога в к раз, связанной со счетчиком тактов.

Коэффициент повышения порога может быть равен , где f_p - частота шумовых срабатываний в установившемся режиме; f_лт - заданная частота шумовых срабатываний в рабочем режиме; f₀ - частота превышения шумом нулевого уровня.

На фиг. 1 представлена схема порогового устройства. На фиг. 2 показан процесс регулирования.

Пороговое устройство с шумовой стабилизацией порога включает последовательно включенные пороговое устройство 1 и формирователь стандартного импульса 2, выход которого связан с управляющим входом порогового устройства 1 через схему ШАРП 3 и схему управления порогом 4. К схеме управления порогом подключен также накопительный сумматор 5, связанный с выходом формирователя стандартного импульса 2. Пороговое устройство 1 снабжено схемой сброса порога 6, связанной с тактовым генератором 7, на выходе которого включен счетчик тактов 8, выход которого связан с управляющими входами сумматора 5 и ключа 9, последовательно включенного на выходе формирователя стандартного импульса 2. В состав схемы управления порогом введена схема переключения уровня 10. С той же целью на входе порогового устройства может быть введен ослабитель 11, связанный со схемой управления порогом 4.

Устройство работает следующим образом.

В момент времени t₀ схема сброса порога 6 устанавливает уровень срабатывания порогового устройства 1 U=0. При этом частота превышений шумом порога принимает максимальное значение f=f₀. Превышения порога шумом отмечаются стандартными импульсами на выходе формирователя стандартного импульса 2. Каждый такой импульс через схему ШАРП 3 и схему повышения порога 4 вызывает повышение порога на величину ΔU. При этом частота шумовых импульсов f в каждый момент определяется зависимостью [3]

где U - текущий уровень порога σ - среднеквадратическое значение шума на входе порогового устройства. По мере роста порога U частота f снижается.

Тактовый генератор 7 формирует тактовые импульсы с периодом T₁=…=T_i=Т. По окончании каждого периода T_i схема сброса порога 6 снова обнуляет порог, и процесс повторяется. За каждый i-й тактовый период сумматор 5 накапливает N_i единиц, соответствующих срабатываниям формирователя 2. Описанные циклы подсчитываются счетчиком тактов 8. При достижении количества тактов, равном М, счетчик тактов выдает команду на открывание ключа 9, и выдачу суммы, хранящейся в сумматоре 5, в схему повышения порога 4. После открывания ключа 9 становится возможной регистрация сигналов, поступающих на вход устройства.

Средняя рабочая частота шумовых срабатываний должна быть достаточно высокой для достижения максимального быстродействия, а с другой стороны, должна значимо отличаться от максимальной частоты f₀, чтобы обеспечивалась требуемая точность стабилизации. Практически это определяется неравенством

где ξ=f_p/f₀.

Указанный принцип позволяет осуществлять выход на рабочий режим при высокой частоте шумовых срабатываний, близкой к предельной частоте f₀ при нулевом пороге. Благодаря этому обеспечивается максимальное быстродействие, в 1000 и более раз превышающее быстродействие прототипа [3].

Для обеспечения необходимой точности стабилизации порога, необходимо, чтобы объем статистики N превышал количество, гарантирующее заданный минимальный статистический разброс. Известно [4], что для пуассоновского процесса, каким является последовательность шумовых превышений порога, математическое ожидание количества таких случайных событий M_N=N, а их дисперсия D_N=N. Тогда относительное среднеквадратическое отклонение количества N

Пример 1. δ_N=0,02.

Согласно (8) количество шумовых срабатываний N>2500.

Количество циклов М и время выхода на режим Т_р определяется выбранной рабочей частотой

и минимальным количеством N по условию (8), а также требованием, чтобы в течение одного цикла не происходило насыщение контура управления, вызывающее замедление переходного процесса, то есть отношение U_m/σ не должно превышать 2-3.

Пример 2. f₀=10⁷ Гц; ξ=0,1; N_m=500; N=2500.

Согласно

Частоту шумовых срабатываний в рабочем режиме можно регулировать, изменяя приращение порога (5), но пределы этой регулировки ограничены требованиями по быстродействию устройства.

Если необходимо поддерживать частоту шумовых срабатываний на существенно более низком уровне, то после выхода на режим стабилизации можно увеличить порог в раз и зафиксировать его в этом положении. Для этого в состав схемы управления порогом необходимо ввести схему переключения уровня 10. С той же целью на входе порогового устройства может быть введен ослабитель 11, связанный со счетчиком тактов 8 и схемой управления порогом.

Коэффициент переключения определяется из (1).

Установившемуся значению порога U_p соответствует частота шумовых срабатываний

Для снижения частоты f до заданного уровня частоты ложных тревог f_лт необходимо выполнение условия

Из (10) и (11) следует

Пример 3.

f_p=10⁵ Гц; f_лт=100 Гц; f₀=10⁷ Гц.

=1,6.

Данный способ позволяет:

- Существенно сократить время выхода порогового обнаружителя на рабочий режим до 1 мс и менее.

- Обеспечить работу в частотном режиме, что существенно для ряда приложений, например, в частотных дальномерах, при обновлении информации с частотой до 1000 Гц.

- Обеспечить работу при нестационарном шуме.

- Обеспечить максимальное значение отношения сигнал/порог с высокой точностью.

Эти выводы подтверждены компьютерным моделированием и испытаниями макетных образцов. Тем самым, подтверждено решение поставленной задачи - существенное уменьшение времени выхода на рабочий режим.

Источники информации

1. US pat. №3516751. Optical radiation pulse control receiver. 1970.

2. Бурд A.M., Лейченко Ю.А., Мотенко Б.Н., Попов А.С. Температурная стабилизация фотоприемника с ЛФД // Приборы и техника эксперимента. - 1975. - №4, - С. 176-178.

3. Вильнер В.Г. Проектирование пороговых устройств с шумовой стабилизацией порога. // Оптико-механическая промышленность. - 1984 г. - №5, - С. 39-41. - прототип.

4. Г. Корн, Т. Корн. Справочник по математике (для научных работников и инженеров). - «Наука», М., 1973 г. - 832 с.