научная статья по теме РЕЗОНАНСНЫЕ ГРАВИТАЦИОННЫЕ АНТЕННЫ: ХАРАКТЕРИСТИКИ ИМПУЛЬСНЫХ ПОМЕХ В КЛАССЕ АНОМАЛЬНО ЗАГРЯЗНЕННЫХ РАСПРЕДЕЛЕНИЙ Метрология

Текст научной статьи на тему «РЕЗОНАНСНЫЕ ГРАВИТАЦИОННЫЕ АНТЕННЫ: ХАРАКТЕРИСТИКИ ИМПУЛЬСНЫХ ПОМЕХ В КЛАССЕ АНОМАЛЬНО ЗАГРЯЗНЕННЫХ РАСПРЕДЕЛЕНИЙ»

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ МЕТРОЛОГИИ

519.246:524

Резонансные гравитационные антенны: характеристики импульсных помех в классе аномально загрязненных распределений

А. В. ГУСЕВ

Для резонансных гравитационных антенн, работающих в режиме «медленной фильтрации» («Slow filtering»), рассчитаны характеристики параметрической модели априорной неопределенности в классе е-загрязненных распределений при наличии широкополосных хаотических пуассоновских импульсных помех.

Ключевые слова: резонансные гравитационные антенны.

For resonant gravitational antennas operating under «Slow filtering» regime the parameters of parametric model of priory uncertainty for the class of e-contaminated distributions at wideband chaotic Poisson's impulse background are calculated.

Key words: resonant gravitational antennas.

При обработке выходного сигнала криогенных резонансных гравитационных антенн (РГА) типа «Explorer» [1] приходится учитывать наличие коррелированных негауссовых помех. Амплитудно-частотное подавление негауссовых помех [2] при некогерентной обработке информации в режиме «медленной фильтрации» («Slow filtering») [1] осуществляется по следующей схеме:

E(t) - БНП - ОФ, (1)

где E(t)=[E1(f)E2(t)]т — векторный случайный процесс на

выходе РГА, компоненты которого E1(t) и E2(t) представляют собой квадраты огибающих узкополосных процессов на выходах отдельных частотных каналов («мод»); БНП — безынерционный нелинейный преобразователь; ОФ — оптимальный фильтр по критерию сигнал—шум. Оптимальная характеристика БНП по критерию сигнал—шум в схеме (1) определяется совместной плотностью вероятности W2 (E1, E2) случайных процессов E1(t) и E2(t) в совпадающие моменты времени.

Аномальное поведение хвостов выборочных распределений случайных процессов E1(t) и E2(t) (по отношению к априори ожидаемым при гауссовых шумах) свидетельствует о наличии в системе хаотических импульсных помех (ХИП). В статистической радиотехнике в качестве модели ХИП часто используется случайный импульсный процесс пуассонов-ского типа [3]. При таком подходе ХИП на входе РГА можно рассматривать как белый негауссов шум:

fc (t) = Е M(t -Tv),

v

где av и tv — «амплитуда» и момент возникновения отдельного импульса. «Амплитуда» av может принимать как положительные, так и отрицательные значения.

Плотность вероятности произвольного пуассоновского процесса £,(f) обычно представляется в виде разложения по полиномам Эрмита (ряд Эджворта) [4, 5]. Коэффициенты

ряда Эджворта определяются семиинвариантами X'

k

случайного процесса £,(f). Применение ряда Эджворта значительно усложняет расчет формы оптимальной характеристики БНП при обработке информации по схеме (1).

В предлагаемой работе суперпозиция гауссова шума РГА и хаотических импульсных помех xc(t) = fc (t) * g(t), где g(t) — импульсная характеристика механической системы в двух-модовом режиме, рассматривается как аномально засоренный случайный процесс с бигауссовым распределением. При таком подходе совместная плотность вероятности W2(E1, E2) случайных процессов E1(t) и E2(t) в совпадающие моменты времени выбирается в классе е-загрязнен-ных распределений: W2(E1, E2) ^ W2e(E1, E2), где 0 < е < 1 — параметр, характеризующий степень загрязнения априорного (ожидаемого при гауссовых шумах) распределения Wpr (E1, E2), который можно рассматривать и как вероятность появления аномалии [6].

При вычислении параметров подобной модели априорной неопределенности предполагаются известными: 1) дисперсии гауссовых помех Oi20 и о|0 на выходах обоих «мод»,

2) средняя частота N1 = const возникновения 5-импульсов,

3) априорное распределение Wpr (a) случайных амплитуд av.

Применение класса е-загрязненных распределений для аппроксимации распределения E(t) значительно упрощает вычисление характеристики БНП при амплитудно-частотном подавлении широкополосных ХИП по схеме (1).

При обобщенном анализе механическую систему современных РГА можно рассматривать как линейную систему с двумя степенями свободы. Тогда, воспользовавшись комплексной формой записи произвольного узкополосного процесса, случайный процесс на выходе линейного тракта РГА можно представить в виде

У (t)=Re [[(t) exp {jMlf} + у 2 (t) exp (jm 2'}],

где rn1, rn2 — собственные частоты механической системы, rn1 = ю2; частота биений (ю2 - ю1) / 2 значительно превышает максимальные частоты в спектрах комплексных огибающих

~i(t) и ~2(t).

При наличии на входе РГА негауссова белого шума учитывая, что в двухмодовом режиме

g(t) = g1{f) + 92(f)-

(2)

где д,(?) = (?)ехр{ю,?}], / = 1, 2 — импульсная характеристика линейного тракта РГА в одночастотном приближении; д,(?) — комплексная огибающая, имеем

у,-(?) = ) + у(?), / = 1, 2.

Здесь п,(?) — комплексная огибающая аддитивных гауссовых помех п, (?) в отдельных «модах»;

~ (t) = Е av ~ (t — Ту) exp j tv}.

(3)

При дальнейшем анализе будем предполагать [1], что

) = ~2 (?) = ).

В этом случае, пренебрегая вероятностью взаимного перекрытия (наложения) отдельных импульсов ХИП на выходе линейного тракта РГА, из (2), (3) находим квадрат огибающей

Е3. (?) ХИП в отдельной «моде»:

Е,С) = )|2 = ЕС) - Еа?Н(*-ту), / = 1, 2;

V

Н(*)=)|2 = ехр|-у|*}, -~<*<-, (4)

где у — характерный параметр в теории РГА, с-1.

Среднее значение Е3(?) и функция корреляции К5(т) импульсного пуассоновского процесса Е5(?) определяются следующим выражением [4, 5]:

Е3(?)=Л/.,а2 УН(?)с№; ак = |ак)Мрг(а)ев, к = 1, 2, ... ;

_ _2 - ^

К3(т) = Е3(?) Е3 (? + т) - Е3 (?) = N1 а4 |Н(?) Н (? + т) Л. (5)

Подставляя (4) в (5), находим

Es(t) = (2/Q)a2, Ks(т) = (1/Q)a4, (l + 2y|x|)expj— 2y|x|},

где Q = 2(y / N1) — средняя скважность ХИП на выходе линейного тракта РГА.

Важной характеристикой ХИП в режиме «Slow filtering» является коэффициент корреляции

0 < Г12 (т) = E1(t)E2 (t + Т) — E1(t> E2 (t + Т) < 1

VD1 D2

(6)

между случайными процессами E1(t) и E2(t); D, = E2 (t) —

2

-ЕI (£) , / = 1, 2 — дисперсии этих случайных процессов.

Действительно, квадраты огибающих гауссовых шумов п1(?) и п2(?) с неперекрывающимися спектрами статистически независимы [4, 5] и, следовательно, при отсутствии ХИП Г12(т) = 0.

При вычислении смешанных моментов Ек (¿|)Е^ (?2)

целесообразно воспользоваться следующей «схемой» (метод рандомизации [4]):

Ei1 (ti)E2 (t2)= Ek1 (ti)xE22 (t2)|E,(ti), Es(t2)

Es(ti), Es(t2)

где — символическая форма записи оператора статистического усреднения. Предполагая, что дисперсии гауссо-

22

вых помех в отдельных «модах» одинаковы, т. е. о^ =О20 =

о

=О0, получаем

Ek1 (ti)E22 (t2) = ki!k2!«k1 + k2 x

X (iF (— ki, 1; — Pi)iF (— k2,1; — P2))

Pi P2

где = 2о2; 1 // () — вырожденная гипергеометрическая

функция; р, = Е3 (?, о.

Следовательно, при воздействии на механическую систему широкополосных пуассоновских ХИП типа дробового шума начальные моменты первого и второго порядков случайных процессов Е1(?) и Е2(?) определяются как

Ei,2(t) = «0 + Es(t), E22(t) = 2«o + 4«o Es(t), E2s(t),

Ei (t) Es(t + т) = «2 + 2«o Es(t) + Es(t) + Es(t + т) , (7)

где E2(t) = Ks (0) + Es(t)2. Из (6) и (7) имеем:

0 < Гю ( т)=-

Ks ( т)

-< 1;

Ks(0) + «2 + 2«0 Es (t) Q 12 ( т) »( (1 + 2y|t|) exp j— 2у|т|}~ qQ .

В классе е-загрязненных распределений совместная плотность вероятности случайных процессов Е1(?) и Е2(?) в совпадающие моменты времени определяется выражением

v

W2e(Ei, E2) = (1-e)Wpr (Ei, E2)+eWe(Ei, E2);

Wpr(E1, E2)= We(El E2; "0)=-jexpj-1, E1, E2 > 0 (8)

"0 [ "0 J

— априорное (ожидаемое) распределение при гауссовых шумах.

В статистической радиотехнике суперпозиция гауссова шума приемника и ХИП часто рассматривается как аномально загрязненный случайный процесс с бигауссовым распределением [6]. Поэтому при дальнейшем анализе будем предполагать, что ^е(Е1, Е2) = ^е(Е1, Е2; Ф.), где Ф. > 0 — неизвестный параметр, Ф. ф Ф0.

Подобная модель априорной неопределенности позволяет рассматривать распределение ^2е () как результат рандомизации распределения (8) при случайной дисперсии

о2 =Фо/2 «гауссовой» помехи:

^2е(Е1, Е2) = (И^ (е., Е2; Ф))Ф = = (1 - е)Ие (Е., Е2; Фо) + еИе (Е., Е2; Ф.),

где Ф — дискретная случайная величина с известным априорным распределением: Р {Ф = Ф0} = (1 - е), Р {Ф = Ф.} = е.

Метод рандомизации также целесообразно применить и для вычисления смешанного начального момента

(Ek1 ()E2k2 (t)) = Ek1 (()E2 (t) в классе е-загрязненных распределений W2e (). При таком подходе

Ek1 ()E22(()= (1-^ (()E22 (()|"„) + е(Ek1 (()E2 ()|"i);

< . мм

(Ei1 (t)Ek(t)|") = JJE^E2k2We(Ei, E2;")dEidE2 = k!^!"21 +i2. Следовательно,

0 0

m

k1k2 ''

Ek1(t) E 22 (t) ki! k2!

"0i + k2 + (1-е) ("i + k2 -<

1 + k2

(9)

Из (9) при k1 = 1, 2 и k2 = 0 находим

mio = "0 + е ("i -"0); m20 = "0 +е("2 -"о) (при m20 -m°0 > 0).

(10)

Будем рассматривать соотношения (10) как систему нелинейных алгебраических уравнений относительно неизвестных параметров 0 < е < 1 и Ф.. Тогда

2

е= (10 -Ф2 ; Ф = т20 - т10Ф0

((10-Ф0)2 + m20-m120 ; 1 (л110-Ф0) . (11)

Коэффициент взаимной корреляции между случайными процессами Е.(?) и Е2(?) в классе е-загрязненных распределений в совпадающие моменты времени выражается в виде

r Ю (0) =

mii -mi0

е (1-е) ("i-"0 )2

2m20 - m°0 (1 - е)"2 +е"2 + е(1 - е) ("i -"0 )2 2

0: r е2 (0) =£((l-"0l-

0

(12)

Конкретизируем соотношения (11) и (12) для ХИП типа негауссова белого шума Для такой модели ХИП, учитывая выражения (9), имеем:

тю - "§ = Es (t); m20 = "g + 2"0 Es (t) + ES (t) / 2,

((0-Ф0) + т20 -т10 = Е2 (*)/2.

Таким образом, параметры е-загрязненного распределения ^2() при наличии широкополосной пуассоновской ХИП определим как

е = 2Es(t)2/E2(t); "1 ="0 +е-1 Es(t).

Следовательно,

Q -

е=16=, e-1 Es (t)==const, Q a4 s w 2

a a2

r Ю (0) = е

4

"0 a2

Пусть амплитуды a v отдельных S-импульсов распределены по закону Релея:

Wpr (a) = exp 2

, a>0.

При такой модели a22 = (2o°) k!, а потому

Q-м: е=£; ^(°)=4е|0^

2

Основные результаты и выводы. 1. В режиме «Slow filtering» рассчитаны параметры совместной плотности вероятности W2i; () = W2z (E1, E2) случайных процессов E1(t) и E2(t) в классе е-загрязненных распределений при воздействии на механич

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком