Корреляционное устройство для определения времени задержки

 

КОРРЕЛЯЩОННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВРЕМЕНИ ЗАДЕРЖКИ, содержащее блок регулируемой задержки, выход которого непосредственно и через блок постоянной задержки .соотx ft; J ветственно соединен с первыми входами первого и второго .корреляторов, выходы которых соединены с соответствующими входами блока вычитания, выход которого через усилитель соединен с управляющим входом блока регулируемой задержки, отличающееся тем, что, с целью повьпиения точности, в него введены первый и второй управляемые фильтры, информационные входы которых являются соответственно первым и вторым входами устройства, управляющие входы первого и второго управляемых фильтров объединены и подключены к выходу усилителя, выход первого управляемо- „ го фильтра соединен с вторыми входа-Щ ми первого и второго корреляторов, л выход второго управляемого фильтра соединен с информационным входом блока регулируемой задержки. эо Фиг.1

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (l9) (11) З(51) G 06 F 15 336 в р

) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3580045/18-24 (22) 16.04.83 (46 ) 07. 07. 84. Бюл. 9 25 (72) В. И. Смирнов (71) Калининский ордена Трудового

Красного Знамени политехнический институт (53) 621. 3(088. 8) (56 ) 1. Козубовский С.Ф. Корреляционные экстремальные системы. Справочник. Киев.."Наукова думка", 1973, с. 36.

2. Коз)лбовский С; Ф. Корреляционные экстремальные системы. Справочник. Киев, "Наукова думка", 1973, с. 45 (прототип). (54)(57) КОРРЕЛЯЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО

ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВРЕМЕНИ ЗАДЕРЖКИ, содержащее блок регулируемой задержки, выход которого непосредственно и через блок постоянной задержки соответственно соединен с первыми входа= ми первого и второго корреляторов, выходы которых соединены с соответствующими входами блока вычитания, выход которого через усилитель соединен с управляющйм входом блока регулируемой задержки, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью повышения точности, в него введены первый и второй управляемые фильтры, информационные входы которых являются соответственно первым и вторым входами устройства, управляющие входы первого и второго управляемых фильтров объединены и подключены к выходу усилителя, выход первого управляемого фильтра соединен с вторыми входа- и ми первого и второго корреляторов, выход второго управляемого фильтра соединен с информационным входом блока регулируемой задержки.

11О1837

Изобретение относится к специализированным средствам вычислительной техники и может быть использовано, например, в корреляционных измерителях скоростей, расходов в условиях нестационар ности, обусловленной изме5 нением параметров движения протяженных объектов и материальных потоков.

Известно корреляционное устройство для определения времени задержки, содержащие линию регулируемой задерж1О ки первого входного сигнала, коррелятор и экстремальный регулятор, причем выход линии регулируемой задержки и. второй входной сигнал связаны с входами коррелятора, а выход последнего соединен с управляющим входом регулируемой задержки (1) .

Недостатком данного устройства является низкая помехоустойчивость и наличие поисковых колебаний, необ- >Î ходимых для поиска и поддержания экстремума, что ограничивает его быстродействие.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению 25 является корреляционное устройство для определения времени задержки, построенное по дифференциальной схеме и состоящее из линии регулируемой задержки, выход которой че- 3() реэ последовательно соединенные линию постоянной задержки и первый корреклятор связан с первым входом блока вычитания, через второй коррелятор — c втбрым входом блока вычита- 5 ния, выходной сигнал которого через .Усилитель подключен к управляющему входу линии регулируемой задержки (2>.

Недостатком известного устройства является то, что оно не обеспечивает высокой точности в широком диапазоне измеряемых задержек. Это связано с тем, что изменение скорости движения протяженных объектов или материальных потоков вызывает изменение корреляционно-спектральных характеристик входных сигналов, что приводит к нестабильности крутизны дискриминаторной характеристики устройства, которая Формируется путем вычитания двух ! смещенных во времени оценок взаимнокорреляционных функций сопоставляемых входных сигналов.

Цель изобретения — повышение точности определения времени относительной задержки сигналов. 55

К2 (") которая усиливается усилителем 8. Выходной сигнал усилителя 8 воздейстПоставленная цель достигается тем,, что в корреляционное устройство для определения времени э адержки, содержащее блок регулируемой задержки, выход которого непосредственно и через блок постоянной задержки соответственно соединен r. первыми входами первого и второго корреляторов, выходы которых соединены с rîîòâåòñòâóþщими входами блока вычитания, выход 65 которого через усилитель соединен с управляющим входом блока регулируемой задержки, введены первый и второй управляемые фильтры, информационные входы которых являются соответственно первым и вторым входами устройства, управляющие входы первого и второго управляемых фильтров объединены и подключены к выходу усилителя, выход первого управляемого фильтра соединен с вторыми входами первого и второго корреляторов, выход второго управляемого фильтра соединен с вторыми входами первого и второго корреляторов, выход второго управляемого фильтра соединен с информационным входом блока регулируемой задер>кки.

На фиг. 1 приведена блок-схема устройства; на фиг. 2 — графики, иллюстрирующие работу устройства.

Устройство состоит из управляемого фильтра 1 (фильтра зходного сигнала

x it, „выход которого подключен к соответствующим входам корреляторов

2 и 3. Выход блока 4 регулируемой задержки, информационный вход которого соединен с выходом второго управляемого .фильтра 5 (фильтра входного сигнала х (t), связан с другим входом коррелятора 2 и через блок 6 постоянной задержки — с другим входом коррелятора 3. Входы блока 7 вычитания соединены с выходами корреляторов 2 и 3, а его выход через усилитель 8 связан с управляющими входами управляемых фильтров 1 и 5 и блока 4 регулируемой э а це ржк и. устройство работает следующим образ ом.

Входной сигнал х,(t) отстает от входного сигнала x„(t) на искомое врел с мя °, . Управляемые фильтры 1 и 5 осуществляют динамическое преобразование входных сигналов х, (t) и х, (4) соответственно в сигналы ) „() и ), (t) с з ада нными корреляционно-спектральными характеристиками. Блок 4 ре гулируемой задержки задерживает сигнал

4>(t) на время i, а блок Б постоянной за,цержки — дополнительно на время ac.. Коррелятор 2 вычисляет значения ординат взаимна-корреляционной

Функции К,(<) выходных сигналов управляемого фильтра 1 q„(ti и блока 4 регулируемой зацержки ),(t- ). Коррелятор 3 рассчитывает значения ординат взаимно-корреляционной функции К (7,) выходных сигналов управляемого Фйльтра 1

<,,(1) и блока б постоянной задержки

Блок 7 вычитания определя1 l ет разность К (7.) между выходами корреляторов 2 и 3

1101837 вует на управляющий вход блока 4 ре. гулируемой задержки в направлении уменьшения абсолютного значения разности К() и на управляющие входы управляемых фильтров 1 и 5 c целью стабилизации заданных корреляционно5 спектральных характеристик сигналов ?, (Ф) и g2 (t)

Автоматический режим работы устройства начинается с такого значения линии регулируемой задержки, кото- о рое обеспечивает попадание на рабочий участок A графика дискриминаторной характеристики ь К (7, приведенногс на фиг. 2а. Если значение разности g К (v) отличается от нуля, уси- 15 литель 8 через управляющий вход блока 9 регулируемой задержки изменяет значение регулируемой задержки ь, обеспечивая поиск точки Q., в окрестности которой »К() О. Вследствие 29 симметрии взаимно-корреляционных фУнкций К, (I.) и К2 (7) абсцисса точки Ц отстоит от абсциссы „ максимума взаимно-корреляционной функции К1 7,) на величину 0,5 А7, т.е. i =-i+0,5 25

При изменении скорости движения протяженного объекта или материального потока происходит изменение искомого времени задержки i2 и корреляционно-спектральных характеристик 30 входных сигналов х,(?) и xt(t)- В известных устройствах это приводит к нестабильности крутизны дискриминаторной характеристики ЬК() . Например, при возрастании скорости движения время задержки ь ц и интервал корреляции входных сигналов уменьшаются, графики взаимно-корреляционных функций К,(i) и К2() сужаются.

Точка Я графика дискриминаторной характеристики ь К() трансформируется 4О р пологий участок d так, как показано на фиг. 2 о. Ширина этого участка обуславливает в известных устройствах дополнительную погрешность определения времени задержки ц . В пред- 45 лагаемом устройстве изменение корреляционно-спектральных характеристик входных сигналов х <(t) и х? (t) компенсируется коррекцией параметров управляемых фильтров. При этом обеспечива-50 ется стабильность корреляционно-спект ральных характеристик выходных сигналов управляемых фильтров 1 и 5

)< (t) и q (t) и, следовательно, формы и крутизйы дискриминаторной характе- 55 ристики ?» K (i) .

Методика определения параметров управляемых фильтров поясняется на примере. Пусть флуктуации сигнала х(k) по длине k протяженного объекта 6р или материального потока .описываются автокорреляционной функцией

65 где 62 — дисперсия; параметр, характеризующий степень корреляционной связи мея цу значениями случайной функции х(1)

Для того, чтобы перейти к автокорреляционной функции К„(7) сигнала

x(t воспользуемся соотнсшеиием л

L= V i, где Y — скорость движения пропротяженного объекта или материального потока. B связи с тем, что направление движения объекта (потока) считывается неизменным, можно запиill V (l (2)

Подстановка формулы 2 в формулу (1) дает выражение для автокорреляционной функции K„(7) сигнала x(t)

V кк(1 6 е ь»(ц. (3)

Для однозначного определения времени задержки требуется монотонность автокорреляционных функций входных сигналов. Этому условию удовлетворяют случайные сигналы с экспоненциальными корреляционными функциями, например, вида (3). Пусть параметры корреляционного устройства определены для некоторой номинальной скорости движения М = Y o, которой соответствует следующее выражение корреляционной функции К, ().

» .) 02,- Г„ -,, (4)

Для того, чтобы иэ случайного сигнала х Я с автокорреляционной функцией вида (3) получить случайный сигнал g(t) с автокорреляционной функцией вида (4), передаточная функция управляемого фильтра YY(р) должна отвечать условию (ы7 =1Ф(ш ) х (ы), (5) где W (jи)- амплитудно-фаэочастотная характеристика управляемого фильтра;

5„(ф),5„(»)- спектральные плотности сигналов х (t) и )щ

Корреляциснным функциям (3) и (4) соотве ствуют следующие выражения спектральных плоскостей 9„(u) 5<(u) Иэ формулы (5> с учетом соотношений (6) и (77 находится квадрат модуля амплитудно-фаз очастотной характеристики управляемого фильтра ) VV (и) l ? () = () (-) ы) =

1101837

Ч

В(и)= — Ф (р е„

1 т и42 012 2 3

Следовательно, даже при наличии ошибок в канале настройки управляемых фильтров 1 и 5 точность предлагаемого устройства возрастает.

Таким образ ом, эффект от применения предлагаемого устройс".âà заключается в том„что с помощью управляемых фильтров производится формирование и стабилизация формы и крутизны дискриминаторной характеристики.

Внедрение предлагаемого устройства позволит повысить точность измерений в широком диапазоне времени задержки, обусловленном изменением скорости движения протяженных объектов или материальных потоков.

5„4>) ° „ " 4, 6к(4 1 1« 1 «2, Чр . Чр

Следовател ьно, амплитудно-фаз очаст тйая характеристика управляемого фильтра имеет вид

Эамена с на р дает выражение для передаточной функции W(р) управляемого фильтра Я (i„ )

Ч . 70 которое после преобразований принимает следующий вид т„

V (ф=k

Т р 1 где Г7 4с к

y,= - —,т= — т = — ". й11 М7 о 1«

Коэффициенты К и Т, являются переменными параметрами управляемых >Q фильтров. С учетом того, что

Ч=„— °вЂ” oзд-, где L — расстояние между точками отбора сигналов x,(Ö .и х7(%) по длине 35 объекта (потока), можно получить зависимость переменных параметров К и Т„ управляемых фильтров 1 и 5 от значения регулируемой задержки линии регулируемой задержки, устанавли-40 ваемой усилителем 8 (К= „,T„= — (2<05hi). (З)

V,(т 05 ",)

Коррекция параметров управляемых фильтров 1 и 5 в соответствии с формулами (9) обеспечивает постоянство корреляционно-спектральных характе.ристик сигналов S (t,) и « 2() и, следовательно, стабильность дискриминаторной характеристик 5,K() B широком диапазоне измеряемых задержек.

Для количественной оценки эффекта повыаения точности предложенного устройства по сравнению с известным модно воспользоваться соотношением, полученным в работе (3) .для случайных сигналов с корреляционной функцией 2 60

4 7к

КЛ) =Е где — интервал корреляции, это соотношение имеет вид л7 к 1 т {10) «2 2 т У где р — погрешность ойределения времени задержки; постоянная времени сглаживаHHH фильтра (интегратора) коррелятора.

Пусть параметры корреляционного устройства для определения времени задержки расситаны для случая, когда

=0,1. Тогда расчЕт погрешности

5 по формуле (10) дает следующий результат 1 1 т 1 ,= Ф @, - — -,0 5 — .

В известных устройствах, в которых отсутствуют управляемые фильтры, уменьшение скорости движения U объекта .(потока) в два раза вызывает возрастание вдвое интервала корреляции входного сигнала. Следовательно, и отношение рк 1 Г также увеличится вдвое „т. е. 7, „ /Т=О, 2, и

1 Т T к«2 0,2

Анализ полученных результатов показывает, что погрешность р, в этом случае по сравнению с исходным значением р. увеличивается более чем в 2,5 раза.

Пусть при использовании управляемых фильтров 1 и 5 . в предлагаемом устройстве их параметры корректируются с ошибками, которые обусловливают отклонения корреляционно-спектральных характеристик выходных сигналов управляемых фильтров 1Я) и gz И) от расчетных. Можно сделать предположение о том, что указанные ошибки приводят к увеличению интервалов корреляции ьк этих сигналов на 20: при двухкратном снижении скорости движения т. е. 2 /T=0 12.

Тогда

1101837

У к(с! в®

Составитель A. Иванова

Редактор В. Иванова Техред T. Маточка Корректор В. Бутяга

Заказ 4769/33 Тираж 699 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, E-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4