Пороговое устройство с автоматической шумовой стабилизацией порога
THRESHOLD DEVICE WITH AUTOMATIC NOISE STABILIZATION OF THRESHOLD

Предлагаемое изобретение относится к приему сигналов, в частности, к технике выделения сигналов из шума и может быть использовано в любой области, где требуется обеспечение максимального отношения сигнал/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.
0
f
0
0
0
0
2
2
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является пороговое устройство с автоматической 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=U+U=U+ΔUTf, где f=fexp(-U/2σ); U - начальное значение порога; f - частота пересечения шумом нулевого порога; σ - среднеквадратическое значение шума; ΔU - единичное приращение порога по контуру обратной связи при пересечении порога шумом.
р
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 выхода на рабочий режим при таком способе составляет 1-6 с в зависимости от требований, предъявляемых к точности стабилизации частоты шумовых срабатываний.
Задачей изобретения является уменьшение времени выхода на рабочий режим.
Указанная задача решается за счет того, что в известном пороговом устройстве с автоматической 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 управляющим входом порогового устройства, причем, схема ШАРП состоит из последовательно включенных схемы обратной связи и схемы повышения порога, введена схема сброса порога, подключенная к пороговому устройству и управляемая с выхода порогового сумматора, связанного также со счетчиком циклов, на выходе импульсного формирователя введен ключ, управляемый с выхода счетчика циклов, а на входе схемы повышения порога введены последовательно связанные измеритель времени и вычислитель порога, причем входы измерителя времени связаны с выходами схемы включения и счетчика циклов.
p
лт
0
Вычислитель порога может быть снабжен схемой переключения порога в  раз, связанной со счетчиком циклов, где  коэффициент повышения порога, необходимый для обеспечения заданной частоты шумовых срабатываний в рабочем режиме; f - частота шумовых срабатываний в установившемся режиме; f - заданная частота шумовых срабатываний в рабочем режиме; f - частота превышения шумом нулевого уровня.
Схема переключения порога может быть выполнена в виде ослабителя с коэффициентом ослабления  введенного на входе порогового устройства.
На фиг. 1 представлена схема устройства, реализующего способ. На фиг. 2 показан процесс выхода на рабочий режим.
Импульсное пороговое устройство с автоматической 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, состоящую из схемы обратной связи 4 и схемы повышения порога 5. Пороговое устройство снабжено схемой сброса 6, связанной со схемой включения 7 (связь показана условно) и пороговым сумматором 8, на выходе которого включен счетчик циклов 9. На управляющем входе схемы повышения порога включен вычислитель порога 10, с подключенным к нему измерителем времени 11, входы которого связаны с выходами схемы включения 7 и счетчика циклов 9. На выходе формирователя стандартного импульса 2 последовательно введен ключ 12, управляемый с выхода счетчика циклов. В состав вычислителя порога 10 может быть введена схема переключения порога в  раз 13. Его функцию может также выполнять ослабитель в  раз 14, включенный на входе порогового устройства 1.
Устройство работает следующим образом.
0
0
p
В момент времени t (фиг. 2) схема включения 7 приводит в рабочее состояние все блоки устройства. При этом схема сброса обнуляет пороговый сумматор 8 и устанавливает нулевое положение порога в пороговом устройстве 1. Одновременно запускается измеритель времени 11. Шумы, поступающие на вход порогового устройства, превышают порог с частотой f и вызывают срабатывания формирователя стандартного импульса 2. Эти импульсы через схему ШАРП 3 повышают порог срабатывания порогового устройства, в результате чего частота превышений порога снижается. Это снижение является фактором, замедляющим скорость выхода на рабочий режим. Согласно предлагаемому решению, срабатывания формирователя 2 регистрируются пороговым сумматором 8, и по достижении количеством срабатываний n порогового значения N пороговый сумматор 8 выдает сигнал на схему сброса 6, которая обнуляет порог срабатывания порогового устройства и описанный цикл повторяется. Одновременно срабатывает счетчик циклов 9. По достижении заданного количества М циклов счетчик циклов выдает сигнал на переход в рабочий режим. Этот сигнал отпирает ключ 12 и останавливает измеритель времени 11. Измеренный временной интервал Т (фиг. 2) от момента включения до момента достижения М циклов накопления подается на вычислитель 10, определяющий среднюю частоту срабатываний  и соответствующую величину порога срабатывания U в рабочем режиме. Этот уровень схема повышения порога 5 устанавливает в пороговом устройстве 1. 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 порога 13. С той же целью на входе порогового устройства может быть введен ослабитель 14 кратностью , включаемый одновременно с ключом 12.
Работа устройства описывается следующими соотношениями.
Частота шумовых импульсов f в каждый момент определяется зависимостью [3]
где U - текущий уровень порога; σ - среднеквадратическое значение шума на входе порогового устройства.
Время выхода на рабочий режим
Средний спад частоты f за время одного цикла
Среднее приращение порога за один цикл
0
Средняя рабочая частота шумовых срабатываний должна быть достаточно высокой для достижения максимального быстродействия, а с другой стороны, должна значимо отличаться от максимальной частоты f, чтобы обеспечивалась требуемая точность стабилизации. Практически это определяется неравенством
p
0
где ξ=f/f.
Указанная технология позволяет осуществлять выход на рабочий режим при высокой частоте шумовых срабатываний, близкой к предельной частоте при нулевом пороге. Благодаря этому обеспечивается максимальное быстродействие, в 1000 и более раз превышающее быстродействие прототипа [3].
K
K
Для обеспечения необходимой точности стабилизации порога, необходимо, чтобы объем статистики K 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=K, а их дисперсия D=K. Тогда относительное среднеквадратическое отклонение количества K
Откуда минимальное количество
Пример 1.
K
δ=0,02
Согласно (7) количество шумовых срабатываний N>2500.
р
Количество циклов М и время выхода на режим Т определяется выбранной рабочей частотой
m
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/σ не должно превышать 2-3.
Пример 2.
0
7
f=10 Гц; ξ=0,1; N=500; K=2500.
Согласно (8)
Частоту шумовых срабатываний в рабочем режиме можно регулировать, изменяя приращение порога (4), 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 вычислителя необходимо ввести схему переключения порога 13. С той же целью на входе порогового устройства может быть введен ослабитель 14, связанный со счетчиком циклов 9 и схемой управления порогом - если коэффициент  не является фиксированной величиной и определяется в каждом рабочем периоде.
Коэффициент переключения  определяется из (1).
p
Установившемуся значению порога U соответствует частота шумовых срабатываний
лт
Для снижения частоты f до заданного уровня частоты ложных тревог f необходимо выполнение условия
Из (9) и (10) следует
Пример 3
p
лт
0
5
7
f=10 Гц; f=100 Гц; f=10 Гц.
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 порог шум 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 // ПТЭ - 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.