СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ СИГНАЛА ИСТОЧНИКА, ПОРОЖДАЮЩЕГО ДИСКРЕТНУЮ СОСТАВЛЯЮЩУЮ В СПЕКТРЕ СУММАРНОГО СИГНАЛА НЕСКОЛЬКИХ ИСТОЧНИКОВ
METHOD OF DETECTING SIGNAL OF SOURCE GIVING RISE TO DISCRETE COMPONENT IN SPECTRUM OF COMPOSITE SIGNAL OF SEVERAL SOURCES

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники, а более конкретно к вопросам выявления источников шума и вибрации компонентов сложных технических систем, машин, механизмов, транспортных средств, сооружений, и может быть использовано при диагностическом обследовании таких систем, механизмов и транспортных средств, например судов.
Одним из методов диагностического обследования технической системы или механизма с применением оценок вибрации или акустических характеристик является анализ состава спектра сигнала шума или (и) вибрации, порождаемых механизмом или системой. Одним из диагностических признаков причин повышенного шума или вибрации диагностируемого механизма (системы) является наличие в спектре его шума и (или) вибрации дискретных составляющих, вызванных квазигармоническими процессами, порождаемыми работой механизма или наличием резонансов конструктивных элементов.
Такие сигналы обычно фиксируются соответствующими датчиками (сигналы шума - микрофонами, гидрофонами, вибрации - акселерометрами) в сумме с сигналами помех, порождаемыми в точке измерений иными источниками и возникающими также в тракте передачи сигнала от датчика к анализатору сигналов. Поэтому одним из способов диагностического обследования машин и механизмов является поиск (обнаружение) дискретных составляющих в спектре сигнала шума или вибрации, подверженного влиянию помех, и определения параметров этих дискретных составляющих - уровней, частот и ширин.
Известен способ обнаружения дискретных составляющих в спектре сигнала, основанный на сравнении уровня отсчета - предполагаемой дискретной составляющей усредненного спектра дискретных спектров мощности сигнала - результатов преобразования Фурье, его выборок конечной длительности - со средним значением уровней в ближайшей окрестности к этому отсчету (см. Новиков Л.К. «Статистические измерения в судовой акустике», Судостроение, 1985 г., стр. 138-139). Сущность метода состоит в том, что исследуемый суммарный (порожденный несколькими источниками) сигнал, например, сигнал шума или вибрации, разбивается на ряд временных реализаций одинаковой длительности, вычисляются спектры мощности всех этих реализаций, полученные мгновенные спектры мощности усредняются, в усредненном спектре выделяются группы отсчетов, предположительно образующих дискретные составляющие, и для подтверждения принадлежности каждой из групп классу дискретных составляющих анализируется превышение максимального уровня отсчетов группы над характеристиками уровня отсчетов вне выделенных групп, например, над средним значением уровней таких отсчетов, увеличенным на определенное число среднеквадратичных отклонений уровней отсчетов от среднего.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является способ, принятый за прототип, основанный на анализе автокорреляционной функции отфильтрованного в полосе частот суммарного сигнала источника и помех, предположительно содержащей сигнал источника, порождающий дискретную составляющую в спектре этого суммарного сигнала (см. Новиков А.К. Статистические измерения и обнаружение сигналов. Изд. ГНЦ РФ ФГУП "Центральный научно-исследовательский институт имени академика А.Н. Крылова", 2006 г., стр. 115-116).
Сущность известного способа сводится к следующим основным операциям:
- производят полосовую фильтрацию суммарного сигнала шума (вибрации) в полосе частот, в которой осуществляется поиск сигнала, порождающего дискретную составляющую в спектре;
- измеряют автокорреляционную функцию суммарного сигнала после полосовой фильтрации;
- выделяют фрагмент измеренной автокорреляционной функции;
- сравнивают значения выделенного фрагмента автокорреляционной функции со значениями типовой автокорреляционной функции сигнала, порождающего в спектре дискретную составляющую - автокорреляционной функции гармонического сигнала, и по результатам сравнения фрагмента измеренной автокорреляционной функции с типовой автокорреляционной функцией делают заключение о наличии в исследуемом суммарном сигнале составляющей, порождающей дискретную составляющую в спектре.
Недостатками способа-прототипа являются малая помехоустойчивость и отсутствие количественных вероятностных характеристик для принятия заключения о наличии дискретной составляющей в спектре суммарного сигнала источников.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение помехоустойчивости определения наличия сигнала, порождающего дискретную составляющую в спектре суммарного сигнала нескольких источников, и получение количественных вероятностных характеристик результата анализа.
Это достигается за счет того, что в известном способе обнаружения сигнала, порождающего дискретную составляющую в спектре суммарного сигнала нескольких источников, по изобретению после выделения фрагмента автокорреляционной функции измеряют функцию распределения значений выделенного фрагмента автокорреляционной функции, и затем сравнивают полученную функцию распределения с эталонной функцией распределения, рассчитанной для автокорреляционной функции типового сигнала, и на основании этого делают заключение о наличии в суммарном входном сигнале нескольких источников сигнала, порождающего дискретную составляющую в спектре суммарного сигнала.
Осуществление измерения функции распределения значений фрагмента автокорреляционной функции отфильтрованного суммарного сигнала позволяет увеличить помехоустойчивость обнаружения сигнала, порождающего дискретную составляющую в спектре суммарного сигнала, за счет того, что функция распределения значений автокорреляционной функции сигнала более чувствительна к квазигармоническому сигналу, чем огибающая этой автокорреляционной функции. Кроме того, наличие четких статистических критериев оценки функции распределения позволяет получить количественные вероятностные характеристики результата обнаружения сигнала, порождающего дискретную составляющую в спектре суммарного сигнала.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ обнаружения сигнала источника, порождающего дискретную составляющую в спектре суммарного сигнала нескольких источников; на фиг.2 - спектр суммарного сигнала при отношении сигнал/помеха 14 дБ; на фиг.3 - участок автокорреляционной функции сигнала, получаемого полосовой фильтрацией суммарного сигнала в окрестности частоты дискретной составляющей спектра, при соотношении сигнал-помеха 6 дБ; на фиг.4 - участок автокорреляционной функции сигнала, получаемый полосовой фильтрацией суммарного сигнала в окрестности частоты дискретной составляющей спектра, при соотношении сигнал-помеха 8 дБ; на фиг.5 - участок автокорреляционной функции сигнала, получаемого полосовой фильтрацией суммарного сигнала в окрестности частоты дискретной составляющей спектра, при соотношении сигнал-помеха 14 дБ; на фиг.6 - распределения значений автокорреляционной функции для соотношения сигнал-помеха 14 дБ, на фиг.7 - распределения значений автокорреляционной функции для соотношения сигнал-помеха 6 дБ; на фиг.8 - функция распределения значений автокорреляционной функции для гармонического сигнала.
Схематическое устройство, реализующее предлагаемый способ (фиг.1), содержит приемник сигнала 1, выход которого соединен с входом полосового фильтра 2, выход которого соединен с входом коррелятора 3, выход которого соединен со входом устройства выделения фрагмента автокорреляционной функции 4, выход которого соединен со входом устройства вычисления функции распределения 5, выход которого соединен с устройством 6 сравнения рассчитанной функции распределения с эталонной функцией, подаваемой на второй вход устройства 6.
Предлагаемый способ обнаружения сигнала источника, порождающего дискретную, составляющую в спектре суммарного сигнала нескольких источников, реализуется следующим образом.
Суммарный входной сигнал, порожденный работой нескольких источников и источниками помех, фиксируемый соответствующим приемником 1, через аналого-цифровой преобразователь поступает на вход полосового фильтра 2, который выполняет фильтрацию этого сигнала в полосе частот, в которой предполагается наличие дискретной составляющей в спектре сигнала.
Далее отфильтрованный сигнал поступает на вход коррелятора 3, вычисляющего автокорреляционную функцию. Из данной функции выбирается фрагмент ограниченной длительности в устройстве 4. Далее выполняется операция, отличающая предлагаемый способ от способа-прототипа: для выделенного фрагмента вычисляется функция распределения значений автокорреляционной функции в устройстве 5. Полученная функция распределения сравнивается с эталонной функцией распределения значений, рассчитанной для гармонического сигнала, например, по критерию Колмогорова - Смирнова. В результате такого сравнения делается статистически квалифицированный вывод о наличии в суммарном входном сигнале нескольких источников сигнала, порождающего дискретную составляющую в спектре этого суммарного сигнала.
Работоспособность указанного способа подтверждается результатами следующего модельного эксперимента: в программно сгенерированный сигнал белого шума был добавлен гармонический сигнал на частоте 32 Гц, уровень которого изменялся в ходе эксперимента, обеспечивая значение отношения сигнал-помеха в диапазоне 6 дБ - 14 дБ. На фиг.2 представлен спектр суммарного сигнала при соотношении сигнал-помеха 14 дБ.
Вычислялись автокорреляционные функции отфильтрованных в полосе 2 Гц реализаций сигнала для различных соотношений сигнал-помеха, участки автокорреляционной функции приведены: при отношении сигнал-помеха 6 дБ - фиг.3, при отношении сигнал-помеха 8 дБ - фиг.4 и при отношении сигнал-помеха 14 дБ - фиг.5.
Фрагменты полученных функций сравнивались с эталонной функцией гармонического сигнала.
Вычислялись функции распределения значений автокорреляционных функций на выбранных фрагментах (фиг.6 - для соотношения сигнал-помеха 14 дБ, фиг.7 - соотношения сигнал-помеха 6 дБ), которые последовательно сравнивались с функцией распределения автокорреляционной функции гармонического сигнала (фиг.8) по критерию Колмогорова - Смирнова, в соответствии с которым, если вероятность идентификации исследуемого процесса как гармонического колебания больше 0,25, то функции распределения натурного и эталонного сигналов считаются совпадающими, т.е. обнаруживается сигнал, порождающий дискретную составляющую в спектре.
Результат сравнения методов получился следующим:
Соотношение сигнал-помеха входного сигнала.
Вероятность идентификации.
Способ-прототип
Предлагаемый способ
6 дБ
-
-
7 дБ
-
0,33
8 дБ
-
0,37
14 дБ
0,37
0,6
∞
1
1
Сравнение с результатами моделирования способа-прототипа показывает, что предлагаемый способ позволил обнаружить сигнал, порождающий дискретную составляющую в спектре суммарного сигнала при меньшем (на 7 дБ) отношении сигнал-помеха, чем способ-прототип.
Устройство, реализующее способ, может быть выполнено с применением цифрового вычислительного комплекса, содержащего аналого-цифровой преобразователь для квантования входного сигнала с датчика и ЭВМ, снабженной программным обеспечением, реализующим отдельные функции блоков устройства.