книги из ГПНТБ / Калинчук, Б. А. Анализаторы инфразвуковых случайных процессов

матрицы на вектор-столбец (N X 1) требует выполнения 2N вычис­

лений, то общий объем вычислительных операций составит:

т = 2Ny —2N log,yV.

Поясним на качественном уровне физический смысл методики вычислений.

Пусть исследуемый сигнал длительностью Т после дискретиза­ ции представлен в виде временного ряда Х к из N выборок, следую­ щих с интервалом At рис. 2-14. Представим временной ряд Х к в виде суммы двух функций Yk и Zk, каждая из которых при той же дли­ тельности состоит из N12 исходных

разование Фурье (ДПФ) для функ­ ций Y k и Zk имеет вид:

130

Поскольку для r^>NI2 ДПФ функций Вг и Сг периодически

Из выражения (2-42) можно найти все N коэффициентов ДПФ временного ряда хк, представленного в виде двух вспомогательных

проводим до тех пор, пока исходная функция не будет представлена N12 вспомогательными функциями, каждая из которых имеет [N/2Т_1) — две точки.

На рис. 2-15 показана конфигурация дерева графа для вычисле­ ния коэффициентов ДПФ для случая N = 8. При этом входная функция представлена в виде четырех вспомогательных функций, каждая из которых состоит из двух точек.

2-2. Аппаратура для измерения спектральной плотности случайных сигналов

Двадцатишестиканальный низкочастотный анализатор АНЧ-26-1-65, описанный в [51], представляет собой электронное устройство для определения частотного спектра широкополосных случайных процессов, отличающихся от нормальных. Прибором исследуется спектр турбулентных пульсаций скорости ветра, тем­ пературы, давления и другие параметры в воздухе или воде, а также

Кроме того, прибором АНЧ-26-1-65 можно производить анализ ра­ диотехнических помех и шумов.

Анализатор собран по схеме параллельного анализа сигнала с помощью 26 ДС-фильтров (рис. 2-16). На входе анализатора стоит ДС-цепочка.

Исследуемый сигнал поступает на аттенюатор и предваритель­ ный однокаскадный усилитель с коэффициентом усиления 10, что обеспечивает возможность подключения к анализатору источников

131

сигналов с различными уровнями выходного напряжения. После предварительного усиления сигнал поступает на 3 пассивных ДС-фильтра (фильтр верхних частот, полосовой фильтр и фильтр нижних частот), которые производят грубую фильтрацию сигнала. После фильтра сигнал поступает на катодный повторитель и уси­ литель постоянного тока УПТ-4 с глубокой обратной связью, обес­ печивающей большую стабильность усилителя. В цепи обратной связи каждого из трех усилителей УПТ-4 включен аттенюатор, позволяющий уменьшить уровень сигнала в области нижних, верх­ них или средних частот в зависимости от формы спектра анализи­ руемого сигнала.

Усилитель УПТ-4 нагружен на девять каналов, каждый из ко­ торых содержит один пассивный и один активный ДС-фильтр, пред­ ставляющий собой (активный) Т-образный мост в цепи обратной связи, включенный между сеткой каскадного усилителя н катодом повторителя. Пассивный ДС-фильтр служит для улучшения частот­ ной характеристики канала на крыльях резонансной кривой. Ква­ зирезонансные частоты отличаются от канала к каналу приблизи­ тельно на пол-октавы (в 10 раз на 6 каналов). Детекторы, стоящие на выходе каждого канала, работают в линейном режиме. С на­ грузки детектора сигнал поступает на интегрирующую ДС-цепочку

спостоянной времени 100 сек.

Спомощью шагового искателя ШИ-50-4 производится периоди­ ческое подключение реле РСМ-І к сетке дифференциального ка­

тодного повторителя. Шаговый искатель приводится в действие от ^С-генератора, собранного на лампе МТХ-90; возможно также ручное переключение шагового искателя. Между катодами каждого повторителя включен микроамперметр, показывающий уровень сигнала, действующего на каждый фильтр. К этой же цепи может быть подключен самописец ЭПП-09.

Для указания номера канала, опрос которого проводится в дан­ ный момент, служит световое табло ПТ-2М, включаемое с помощью того же шагового искателя.

Метод непосредственной фильтрации положен также в основу разработанного Киевским политехническим институтом [8] спек­ троанализатора на диапазон частот 2—500 гц. Спектроанализатор выполняет одновременный анализ сигналов в 30 полосах за счет использования 30 двухзвенных Т-параллель І^С-фильтров на сдво­ енных триодах типа 6Н9. Низкочастотная часть спектра перекры­ вается в приборе тремя фильтрами на октаву, высокочастотная —

132

Рис. 2-16. Спектроанализатор типа АНЧ-26-1-65

133

до шести. Относительные полосы пропускания фильтров одинаковы в пределах октавы. Ослабление пропускаемого сигнала при рас­ стройке от резонансной частоты фильтра на ширину полосы его пропускания — не менее 13 дб.

Для коммутации фильтров применен механический коммутатор. Время съема показаний (время одного оборота коммутатора) — порядка 0,7 сек, поэтому на выходе каждого фильтра предусмотрена детекторно-накопительная ячейка. Максимальная чувствительность спектроанализатора 250 мкв, в приборе предусмотрен индикатор

тор параллельного типа на диапазон частот 5—50 гц. Прибор пред-

Рис. 2-17. Комплекс аппаратуры спектрального анализа SP4

назначается для анализа вибраций и содержит 14 узкополосных резонаторов, выполненных на чувствительных стрелочных гальва­ нометрах: эквивалентная добротность каждой резонансной системы равна пяти. Амплитудная погрешность анализатора, по утвержде­ нию авторов, не превосходит 10%.

Параллельный спектроанализатор, описанный в [68], обеспе­ чивает измерение инфразвуковых составляющих спектров от 10 гц и имеет 80 узкополосных резонаторов, выполненных на магнитострикционных стержнях. Известна также разработка 90-канального параллельного анализатора инфразвуковых частот [76]. Диапазон частот, на который настроены узкополосные резонаторы, лежит в пределах от 5,13 гц (1-й фильтр) до 487 гц (90-й фильтр). Прибор содержит три электронно-лучевых индикатора, причем на экране первого из них наблюдается кривая спектра в пределах 5—23 гц, на экране второго — 23,4—102,4 гц, на экране третьего— 108— 499,2 гц.

Комплекс автоматической аппаратуры спектрального анализа SP4, описанный в [69], состоит из гетеродинного спектроанализа-

134

тора типа SA4 с нижней границей полосы анализа 0,3 гц и двух­ координатного графопостроителя MP4. Аппаратура разработана фирмой «Фенлоу Электронике» (Англия) и предназначена для ана­ лиза случайных процессов, периодических сигналов, а также их смесей. Блок-схема прибора приведена на рис. 2-17.

Здесь анализируемое колебание до поступления на узкополос­ ные фильтры смешивается с напряжением встроенного гетеродина. Квадратурные составляющие напряжения гетеродина управляют работой смесителей. Когда ко входу анализатора подводится сиг­ нал, частота которого отличается от частоты внутреннего генератора на величину меньшую ширины полосы пропускания низкочастот­ ных узкополосных фильтров, выходное напряжение последних будет флуктуировать на разностной частоте.

Так как напряжение генератора подводится к смесителям в в квадратуре, то на выходе первого узкополосного фильтра УГІФ1

± 5%, точность установки частоты ± 2%. Дополнительная погреш­ ность за счет использования графопостроителя MP4 не превосхо­ дит + 1 % от полной шкалы по осям X и Y.

Эта же фирма выпускает также спектроанализаторы SP2 и SP3, характеристики которых [70] мало отличаются от приведенных параметров SP4.

В отечественной практике также известны разработки инфразвуковых узкополосных анализаторов. К их числу относится при­ бор гетеродинного типа АН-2 [71 ], предназначенный для анализа сигналов в диапазоне 5— 100 гц. АН-2 позволяет разделять состав­ ляющие спектра, отличающиеся по частоте минимум на 1 гц. Повы­ шение разрешающей способности аппаратуры связано с сужением полосы пропускания его резонансных систем; при этом время ана­ лиза неизбежно возрастает. Это приводит к тому, что узкополосный анализатор можно применять только для анализа стационарных шумов, спектральный состав и интенсивность которых не меняется за время измерений. Блок-схема прибора АН-2 приведена на рис. 2-18. Анализируемый сигнал через фильтр нижних частот ФНЧ

135

попадает на вход смесителя См. Напряжение разностной частоты гетеродина ПГ и исследуемого сигнала отфильтровывается сначала избирательным усилителем, а затем узкополосным электромехани­ ческим фильтром и после усиления оконечным усилителем подается на вход самописца. ФНЧ подавляет частоты выше 100 гц. Фильтр необходим для того, чтобы составляющие более высоких частот не перегружали смеситель. Кроме того, при отсутствии ФНЧ на выход анализатора, помимо основной частоты /с = /г — fQ, пройдет сигнал

с частотой f'c — /0 /г (7Г — частота гетеродина, fQ— резонансная

частота избирательного усилителя и электромеханического филь­ тра). ФНЧ устраняет возможность прохождения частоты f'c.

Смеситель выполнен на диодах по балансной мостовой схеме (рис. 2-19, а). Проводимостью схемы управляет напряжение гете-

Рис. 2-19. Диодный смеситель, построенный по балансной схеме: а) схема устройства, б) график изменения проводи­ мости смесителя

родина НГі которое намного превышает напряжение сигнала. При

соответствующей балансировке мостовой схемы ток частоты гете­ родина в нагрузке практически отсутствует. График изменения про­ водимости смесителя g (/) показан на рис. 2-19, б. Гетеродин выпол­ нен по схеме /?С-генератора с избирательной положительной об­ ратной связью и частотно независимой отрицательной связью. Ста­ бильность выходного напряжения обеспечивается термистором, включенным в цепь отрицательной обратной связи.

Избирательный усилитель имеет в цепи отрицательной обратной связи двойной Т-образный мост и служит для ограничения полосы частот, подводимых к узкополосному электромеханическому филь­ тру. Частотная характеристика усилителя определяется по формуле:

136

циент усиления при наличии обратной связи,

новным избирательным элементом прибора, определяющим полосу анализа аппаратуры в целом. Он выполнен в виде стального камер­ тона с электромагнитным возбуждением. Катушка возбуждения І\1 намотана на железном сердечнике и помещена между ножками камертона. Камертон предварительно намагничен и в процессе ра­ боты подмагничивается током, протекающем через катушки К2.

Резонансная частота электромеханического фильтра в аппара­ туре выбрана равной 130 гц; статическая полоса пропускания со­ ставляет 0,4 гц. Динамический диапазон анализатора 40 дб. Ана­ лизатор позволяет исследовать как тональные сигналы, так и шумы.

В [551 описана автоматическая спектроанализирующая аппара­ тура гетеродинного типа с допустимой нижней частотной границей анализа 1 гц. В аппаратуре использованы различные типовые узлы магнитофонов, в том числе записывающие и воспроизводящие уст­ ройства. Исследуемые сигналы поступают на записывающие блоки через аттенюатор, фильтр верхних частот и усилители, что позво­ ляет легко осуществлять запись с «белением» спектра. При воспро­ изведении сигналы от кольцевого магнитофона подводятся к собст­ венно гетеродинному спектроанализатору с двухкратным преобра­ зованием частоты. В приборе предусмотрена возможность работы с «разбелением» записи, с разными полосами пропускания анали­ зирующих фильтров и разными постоянными времени интегратора.

137

В аппаратуре использован самопишущий потенциометр ПС-1-02, обладающий малой погрешностью (± 0,5%), достаточной скоростью движения каретки и диаграммной ленты.

В качестве носителя записи в приборе использована магнитная лента типа 2. Система роликов кольцевого магнитофона позволяет работать с «бесконечными» петлями длиной от 1 до 50 м при детона­ ции 0,3—0,5%. Скорость протяжки носителя в инфразвуковой диа­ пазоне выбрана равной 762 мм/сек. Интегральная полоса фильтров анализатора при исследованиях в области 1—200 гц выбирается равной 1 или 2 гц. В инфразвуковом диапазоне аппаратура расчитана на автоматическую запись и воспроизведение 143 реализаций длительностью 5, 10 или 15 сек, с возможностью выбора для обра­ ботки любой из них.

Анализ нерегулярных и кратковременных процессов без потери информации удается осуществить, как было показано в § 2-1, по­ следовательным методом с применением временной компрессии ис­ следуемых сигналов с помощью различного рода запоминающих устройств.

Фирмой «Дженерэл Электрик К°» [61 ] разработан временной компрессор на магнитном барабане для исследования инфразвуковых сигналов в диапазоне 1—90 гц. Частота следования выборок в устройстве выбрана равной 180 гц. Время накопления сигналов равно 20 сек при числе параллельных каналов 23. Коэффициент сжатия компрессора равен 82800, причем для одного канала он определяется отношением времени наблюдения сигнала к периоду выборки, т. е. 20 : 1/180 = 3600. При полном сжатии сигнала в в 82800 раз спектр сигналов на выходе компрессора расширяется во столько же раз и составляет 0,083 — 7,5 Мгц. Полоса выходного фильтра при этом должна быть приблизительно равна 0,00415 Мгц при разрешении по частоте входного сигнала 1/20 гц.

В устройстве достигнута очень большая плотность записи. Диа­ метр барабана равен 32 см, т. е. его окружность равна 1 м. По ок­ ружности барабана 82800 выборок размещаются так, что одна вы­ борка занимает 12,5 мкм. Зазор между головками и поверхностью барабана в рабочем состоянии равен 5 мкм. Для получения такого зазора в компрессоре применен, метод «воздушной подкладки», со­ стоящий в том, что воздушный слой, увлекаемый вращающимся барабаном, уравновешивает давление головки, прижимаемой пру­ жиной к барабану. Применяемая система стабилизации поддержи­ вает скорость вращения барабана с точностью 0,01%.

Требование расширения динамического диапазона анализатора, борьба с искажениями сигналов в кольце циркуляции в том числе и с накоплением этих искажений привели к созданию приборов с цифровыми рециркуляторами. Описанный в [72] анализатор инфранизкочастотных сигналов содержит цифровой рециркулятор, выполненный на восьми магнитострикционных линиях задержки. Общий частотный диапазон анализируемых сигналов составляет 0,0025—1000 гц. В диапазоне 0,0025—1 гц коэффициент временного

138

сжатия равен 100 000, т. е. спектр сигнала трансформируется в об­ ласть 0,25—100 кгц. Далее уже оказывается возможным применить обычные гетеродинные анализаторы. Динамический диапазон ана­ лизатора по амплитуде составляет 48 дб. Блок-схема устройства временного сжатия сигнала, представленного дискретным кодом, показана на рис. 2-21.

Входной сигнал поступает на усилитель с переменным коэффи­

Рис. 2-21. Схема устройства временного сжатия сигнала

выходе усилителя напряжение переменного сигнала, равное 40 в Усиленный сигнал подается на соответствующий фильтр низких частот каждого поддиапазона. Ограниченный по частоте сигнал в аналоговой форме поступает на устройство выборок.

В течение интервала времени, определяемого длительностью выборки (ИВ), в схеме взятия выборок заряжается конденсатор до уровня постоянного напряжения, соответствующего амплитуде входного сигнала в этот момент. С выхода усилителя выборок У1, постоянный сигнал поступает на декодирующий усилитель постоян­ ного тока, который производит сравнение выборок с восьмиразряд­ ными двоичными кодами A P I —АР8 в аналоговой форме. Резуль­

139