КОРРЕЛЯТОР, коррелометр, коррелограф

— специализированное устройство для автоматического вычисления автокорреляционных функций и взаимных корреляционных функций стационарных процессов (либо процессов, приводимых к стационарным). Обычно термин «К.» применяется для определения любого преобразователя, выходной сигнал которого можно рассматривать как корреляционную функцию входных сигналов. Такие К. широко применяются в радиотехнике, технике автоматического управления и т. д. К., вычисляющий некоторую совокупность значений корреляционной функции, соответствующую определенному интервалу изменения ее аргумента (временных задержек), и снабженный измерительный прибором для отсчетов этих значений, обычно наз. коррелометром. К., обеспечивающий автоматическую регистрацию графиков корреляционной функции (коррелограмм) на каких-либо носителях (бумажной ленте, киноленте), наз. коррелографом.

При аппаратурном вычислении корреляционных функций стационарных случайных процессов предполагается, что эти процессы обладают свойством эргодичности (см. Эргодическая теория). Это позволяет использовать в К. усреднение по времени. Вычисление корреляционных функций требует бесконечно большого интервала усреднения, однако на практике всегда приходится ограничиваться интервалом конечной длительности, т. е. К. вычисляет не корреляционную функцию случайного процесса, а ее оценку:

где Т — интервал усреднения, центрированное значение случайного процесса математическое ожидание случайного процесса . Длительность интервала усреднения зависит от спектрального состава исследуемых случайных процессов и необходимой степени точности вычисления корреляционных функций.

Аналогично вычисляется оценка взаимной корреляционной функции случайных процессов

где х (t) и у (t) - центрированные значения случайных процессов .

Ввиду того, что практически могут быть реализованы лишь положительные задержки , при вычислении автокорреляционной функции ее значения определяют только для положительных , что, однако, не имеет существенного значения, т. к. . При определении значений взаимной корреляционной функции для отрицательных учитывают, что Это позволяет менять местами входные сигналы и определять значения взаимной корреляционной функции при положительных .

Наибольшее распространение нашли К., в которых вычисляют корреляционные ф-ции с использованием приведенных выше формул. В этих К. входные сигналы (задержанный и незадержанный) перемножают, в связи с чем они получили название мультипликационных К., или К. с умножением входных сигналов.

1. Блок-схема мультипликационного коррелятора (ВУ — входное устройство).

2. Блок-схема мультипликационного коррелятора параллельного действия, вычисляющего пять точек корреляционной функции: блоки запаздывания; РУ — регистрирующее устройство.

Мультипликационный К. для вычисления взаимной корреляционной функции (рис. 1) осуществляет: преобразование входных сигналов в соответствующие физ. величины (напряжение, ток, световой поток) с предварительной обработкой их (центрирование, квантование по уровню или по времени и т. д.); относительный сдвиг (задержку) одного из сигналов на время в блоке регулируемого запаздывания БРЗ (см. Запаздывания блок), перемножение двух сигналов и в множительном устройстве МУ; усреднение полученного произведения в течение интервала времени Т в усредняющем (или интегрирующем) звене И (см. Устройство интегрирующее), показ или регистрацию вычисленных значений корреляционной функции, соответствующих заданным значениям аргумента с помощью индикаторного, или регистрирующего, устройства ИУ.

Процесс вычисления корреляционных функций может осуществляться как последовательным, так и параллельным способом. В первом случае вычисление производится последовательно, точка за точкой, для каждого заданного значения . Для получения всей кривой корреляционной функции операции вычисления повторяются при различных значениях т. при этом может изменяться как непрерывно, так и дискретно. Полное время вычисления где Т — время усреднения при вычислении одной точки корреляционной функции, вычисленных точек. Для параллельного способа вычисления К. выполняется в виде многоканального устройства с числом каналов, равным числу одновременно вычисляемых Точек корреляционных функций. Каждый канал содержит свое множительное устройство МУ и усредняющее (интегрирующее) звено И, а также устройство задержки, обеспечивающее запаздывание, соответствующее данной точке корреляционной функции. Упрощенная блок-схема мультипликационного К. параллельного действия изображена на рис. 2. Использование схем параллельного действия ускоряет время анализа, однако существенно усложняет схему К.

Наряду с мультипликационным К. значительное распространение получили К., в которых операция умножения осуществляется при помощи двух устройств для возведения в квадрат (квадраторов) с использованием выражения

Иногда К. строятся с использованием одного квадратора. В атом случае вычисление корреляционных функций выполняется по формуле

К., использующие квадраторы, наз. интерференционными. Существуют и другие методы вычисления корреляционных функций: компенсационный метод, метод диаграмм рассеяния и пр. Значительное распространение начал получать метод аппроксимации корреляционных функций с помощью системы ортогональных функций, при котором определяются коэффициенты разложения корреляционной функции в некоторый ряд (напр., по полиномам Лагерра и др.).

В зависимости от формы представления сигналов при вычислении корреляционных функций различают К. аналоговые (непрерывного действия) и цифровые (дискретного действия). Известен также ряд гибридных К., в которых используется как аналоговая, так и цифровая формы представления сигналов. Наиболее распространены аналоговые К., обеспечивающие при сравнительной простоте устройства удовлетворительную точность вычисления функций (погрешность порядка нескольких процентов). Цифровые К. позволяют получать точность значительно выше по сравнению с аналоговыми, но они более сложны.

Рассмотренные методы и схемы вычисления корреляционных функций часто используются с квантованием исследуемых сигналов как по времени, так и по уровню. Значительное распространение начали получать К. с грубым квантованием сигналов по уровню — релейные, полярные (знаковые) К. и К. Стилтьеса, вычисляющие соответственно релейные корреляционные функции, корреляционные функции полярные и Стилтьеса корреляционные функции. В релейных и полярных К. соответственно, один или оба входных сигнала подвергаются квантованию по двум уровням с использованием информации лишь о знаке исходного сигнала. Благодаря использованию в них элементов дискретной техники, релейные и полярные К. отличаются схемной простотой. Так, вместо множительных устройств в них используются простые схемы совпадения, а вместо блока регулируемого запаздывания — регистры сдвига с регулируемой частотой тактовых (продвигающих) импульсов. Вычисляемые при этом релейные и полярные корреляционные функции отличаются от действительных оценок корреляционных функций на величину некоторой методической погрешности, которую можно учесть при градуировке К. В то же время значительная простота таких К. делает их весьма перспективными во многих областях техники (автоматическое управление, техника связи, техническая диагностика, корреляционные экстремальные системы и др.). В К. Стилтьеса один из двух исследуемых случайных сигналов грубо квантуется по нескольким уровням (обычно по 3—4), а другой остается неизменным. Квантованный сигнал подвергается временной задержке и перемножается с неквантованным при помощи обычных схем совпадения. К. Стилтьеса сочетает простоту устройства с достаточно высокой точностью вычисления корреляционной функции (при пяти уровнях квантования погрешность составляет лишь доли процента).

Схемные и конструктивные особенности различных К. весьма разнообразны. Так, существуют пневматические, электромех., фотоэлектронные, оптические и электронные К. (последние наиболее распространены).

Лит.: Синицын Б. С. Автоматические корреляторы и их применение. Новосибирск, 1964 [библиогр. с. 202—216]; Балл Г. А. Аппаратурный корреляционный анализ случайных процессов. М., 1968 [библиогр. с. 150—158]; Чеголин П. М. Автоматизация спектрального и корреляционного анализа. М., 1969 [библиогр. с. 375—381]; Грибанов Ю. И., Веселова Г. П., Андреев В. Н. Автоматические цифровые корреляторы. М., 1971 [библиогр. с. 234—238]; Мирский Г. Я. Аппаратурное определение характеристик случайных процессов. М., 1972 [библиогр. с. 437—452]; Ланге Ф. Корреляционная электроника. Пер. с нем. Л., 1963 [библиогр. с. 426—442]. С. Ф. Козубовский.