Способ автоматической стабилизации частоты пересечения порогового уровня выбросами шумового процесса
METHOD FOR AUTOMATIC STABILIZATION OF THRESHOLD FREQUENCY CROSSING FREQUENCY BY NOISE PROCESS EMISSIONS

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 способ 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 способу является способ автоматической стабилизации частоты f пересечения порогового уровня выбросами шумового процесса [3] путем регулирования порогового уровня в зависимости от частоты его превышений шумом. Согласно данному способу частоту f определяют путем накопления выходных импульсов в течение времени Т, а порог U в установившемся режиме определяется выражением U=U+U=U+ΔUTfexp(-U/2σ), где U - начальное значение порога; f - частота пересечения шумом нулевого порога; σ - среднеквадратическое значение шума; ΔU - единичное приращение порога по контуру обратной связи при его пересечении шумом.
r
Недостатком указанного способа является медленный выход на рабочий режим ввиду того, что в процессе установления рабочего порога частота шумовых срабатываний уменьшается, и крутизна переходного процесса, пропорциональная текущей частоте, снижается. Согласно [3] время T выхода на рабочий режим при таком способе составляет 1-6 с в зависимости от требований, предъявляемых к точности стабилизации.
Задачей изобретения является уменьшение времени выхода на рабочий режим.
0
max
1
max
1
1
1
0
2
p
p
2
2
2
3
2
2
2
2
2
2
N
N
2
2
0
3
1
1
2
Указанная задача решается за счет того, что в известном способе автоматической стабилизации частоты f пересечения порогового уровня выбросами шумового процесса путем регулирования порогового уровня в зависимости от частоты его превышений шумовым процессом, предварительно определяют частоту f превышения шумовым процессом нулевого порогового уровня и максимальное среднеквадратическое значение σ шумового процесса, устанавливают начальный пороговый уровень U<mσ, где m<(U/σ) - предварительная оценка требуемого отношения порог/шум в режиме стабилизации, которому соответствует частота f превышения шумовым процессом уровня U и уменьшают частоту f до стабильного значения f>f>f, где f - требуемое значение частоты f в рабочем режиме, путем увеличения порога на величину ΔU после каждого превышения его шумом до тех пор, пока порог не выйдет на стабильный уровень U, после чего производят подсчет количества N превышений порога шумовыми выбросами в течение времени усреднения Т, по окончании этого времени в момент t регистрируют величину N, определяют частоту шумовых выбросов f=N/T и устанавливают рабочий пороговый уровень  величину Т устанавливают из условия N>1/δ, где δ - предельное относительное отклонение количества шумовых превышений порогового уровня от их среднего значения, величину f устанавливают в пределах 0,01<f/f<0,9, a ΔU выбирают из условия где индексы означают предварительную оценку максимальных и минимальных значений величин U, U и N.
Техническим результатом изобретения является минимальное время выхода на рабочий режим порогового обнаружителя сигналов при обеспечении максимальной вероятности обнаружения сигнала.
На фиг. 1 представлена схема устройства, реализующего способ. На фиг. 2 показана циклограмма способа.
Согласно фиг. 1 пороговый обнаружитель содержит схему сравнения 1, на вход которой подается смесь сигнала с шумом, а на выходе включен импульсный формирователь 2, генерирующий импульсы стандартной амплитуды и длительности при превышении порога схемы сравнения смесью сигнала с шумом. Между выходом импульсного формирователя 2 и управляющим входом схемы сравнения 1 включены схема обратной связи 3 и схема повышения порога 4, замыкающие контур шумовой автоматической регулировки. Схема повышения порога 4 связана с таймером стабилизации 5, на выходе которого включен таймер переключения режима 6. Таймер стабилизации 5, таймер выхода на режим 6 и схема сброса порога 7 связаны со схемой включения 8. На выходе импульсного формирователя 2 установлен связанный с таймером выхода на режим 6 ключ 10, выход которого является выходом устройства. На выходе импульсного формирователя 2 установлен счетчик усреднения 11, управляемый с выхода таймера стабилизации 5 и таймера переключения режима 6. На выходе счетчика 11 включен вычислитель рабочего порога 12, связанный с управляющим входом схемы повышения порога 4 и выходом таймера переключения режима 6.
1
2
3
4
р
На фиг. 2 показана последовательность операций способа. T - время стабилизации; Т - время усреднения; Т - время переключения в рабочий режим; Т - время работы; Т - время выхода на рабочий режим.
Способ осуществляется следующим образом.
1
1
1
1
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
0
p
4
р
1
2
3
3
В момент времени t включают схему сброса порога 9, устанавливающую первоначальный уровень порога U и запускающую таймер стабилизации 5 и таймер переключения режима 6. Одновременно закрывается ключ 10. В течение интервала времени T, задаваемого таймером стабилизации 5, после каждого срабатывания импульсного формирователя 2 схема обратной связи 3 формирует добавку ΔU, на которую увеличивают порог схемы сравнения 2, в результате чего частота шумовых срабатываний понижается, и по истечении времени T, задаваемого таймером стабилизации 5, процесс шумовой регулировки порога выходит на стационарный режим порога срабатывания U=Const. В этот момент времени t включают таймер переключения режима 6 и счетчик N 11, с помощью которого подсчитывают количество шумовых срабатываний N в течение времени усреднения Т, задаваемого таймером переключения режима 6. По окончании периода Т по команде с таймера переключения режима 6 останавливают счетчик 11 и передают с него число N на вычислитель рабочего порога 12, с помощью которого определяют среднюю частоту f=N/T шумовых превышений порога U и величину рабочего порога  где f - частота превышения шумовым процессом нулевого порогового уровня; f - частота шумовых превышений рабочего порога U. По истечении времени Т=T+Т+Т, задаваемого таймером выхода на режим, где Т - время переключения порога, открывают ключ 10 и регистрируют на его выходе срабатывания от поступающих на вход сигналов.
1
2
2
2
0
1
2
0
2
0
2
0
Период T должен обеспечивать выход на стабильный режим частоты f. Частоту f выбирают из условия, чтобы выполнялись два противоположных требования. С одной стороны, частота f должна быть как можно ближе к f, чтобы минимизировать время выхода T на режим стабилизации. С другой стороны, разница между f и f должна быть значимой, чтобы обеспечить необходимую точность вычисления рабочего порога. Для широкого диапазона условий отношение f/f должно быть в пределах 0,01<f/f<0,9.
2
Частота f пересечения порога U нормальным процессом с дисперсией σ и коэффициентом корреляции R(τ) определяется выражением [3]
где  - частота пересечения нулевого порога.
Из (1) и фиг. 2 следует
И, соответственно,
4
p
4
где U и f - рабочие значения порога и частоты шумовых срабатываний после момента t выхода на рабочий режим.
1
1
пр
Период стабилизации T определяется по известной методике [3], причем T и время выхода на режим Т, обеспечиваемое прототипом, связаны очевидным соотношением
0
2
0
4
пр
1
7
6
-4
Пример 1. f=10 Гц; f=0,8f=8⋅10 Гц; f=100 Гц; Т=1 с (низкая точность стабилизации). T=1,25⋅10 с.
2
2
N
Время усреднения Т определяется вероятностным разбросом количества срабатываний N. При распределении случайной величины со средним значением N по закону Пуассона (имеющему место в данном случае) ее дисперсия [4, с. 574] D=N, а среднеквадратическое отклонение
2
Относительное среднеквадратическое отклонение количества шумовых срабатываний  откуда требуемое минимальное количество N составляет
N
2
Пример 2. δ=0,02. N=2500.
2
Среднюю частоту шумовых превышений порога U определяют по формуле
Откуда
2
2
2
6
-4
Пример 3. f=8⋅10 Гц; N=2500. Т~3⋅10 с.
3
1
Если принять время переключения порога Т<<Т, то время выхода на рабочий режим при полученных выше результатах
р
1
2
-4
Т~Т+Т~4⋅10 с.
Прототип [3] обеспечивает выход на режим за 1-6 с. Таким образом, выигрыш предлагаемого способа по быстродействию составляет 2500-15000 раз.
Данный способ позволяет:
- Существенно сократить время выхода порогового обнаружителя на рабочий режим до 0,5 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 A.C. 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.