Алгоритмы адаптивной обработки сигнала на основе весового усреднения разностной частоты в частном дальномере б
Мой сайт
Главная | Регистрация | Вход
Пятница, 24.03.2017, 03:08
Меню сайта
Статистика

Онлайн всего: 1
Гостей: 1
Пользователей: 0
Форма входа
Главная » 2012 » Октябрь » 28 » Алгоритмы адаптивной обработки сигнала на основе весового усреднения разностной частоты в частном дальномере б
06:40
 

Алгоритмы адаптивной обработки сигнала на основе весового усреднения разностной частоты в частном дальномере б

Выдержки из автореферата диссертации Баранов Илья Владимирович, 2011, 05.12.04 — Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

Актуальность темы

В самых различных отраслях промышленности в технологических и коммерческих целях требуется производить оперативное дистанционное бесконтактное измерение уровня заполнения различных резервуаров сыпучими, пастообразными или жидкими веществами. При этом речь идёт об измерении малых и сверхмалых расстояний (от 0,5 до 50 м). В ряде случаев внутри резервуара имеются различные технологические конструкции, затрудняющие проведение измерений. Последние три десятилетия для этих целей широко используются радиоволновые уровнемеры, построенные на основе СВЧ дальномера с частотно-модулированным (4M) сигналом.

Теоретические основы построения частотного дальномера (ЧД) разрабатывались с момента его появления в 20-х годах прошлого столетия и до конца 60-х годов. В этот период рассматривалось в основном применение 4M радиолокаторов в военных целях. В конце 60-х — начале 70-х годов четко обозначилась новая область применения ЧД для измерения малых и сверхмалых расстояний в промышленности (измерение уровня заполнения технологических резервуаров). При этом важным являлось получение высокой точности измерения, намного меньше величины ошибки дискретности (ОД), присущей 4M дальномерам, и ослабление влияния различных дестабилизирующих факторов. Появилось множество работ, решающих эти частные задачи различными методами. Это работы, связанные с обработкой сигнала в спектральной области, с весовым усреднением разностной частоты (ВУРЧ), с использованием дополнительной фазовой модуляции 4M сигнала, эталонного канала на основе линии задержки, с применением измерения нелинейности модуляционной характеристики (MX) передатчика и её компенсацию на основе режима ступенчатой частотной модуляции, посвященные цифровому синтезу частоты передатчика, учитывающие особенности влияния мешающих отражений.

В последние годы появились обобщающие работы, в которых производится систематизация накопленных научных и практических результатов.

Среди отечественных ученых и практических специалистов, внесших существенный вклад в развитие теории и практическое применение 4M дальномеров, можно выделить Виницкого А. С., Кагаленко Б. В., Атаянца Б. А., Мещерякова В. П., Гизатулина Р. А., Дзи-лиеваА. П., Хасянова А. Ф., Либермана С. А., Комарова И. В., Смольскопо С. М., Давы-дочкина В. М., Езерского В. В.

Среди зарубежных авторов широко известны работы Brumbi D., Edvardson К. О., Bialkovski М. Е., Stolle R.

Множество практических задач с широкими требованиями по точности измерения расстояния и экономичности используемых приборов привело к ситуации, когда приходится совмещать различные варианты применяемых методов обработки сигнала со сложностью их конструктивно технологической реализации. Существуют две крайние позиции: необходимы прецизионные приборы с очень высокой стоимостью и приборы низкой точности и малой стоимости. Во многих случаях желательно совместить достаточно высокую точность измерения с умеренной стоимостью. В этом смысле целесообразно использовать метод ВУРЧ, предложенный в шведском патенте, технически развитый в ряде зарубежных работ и проанализированный в работах Езерского В. В.

Несмотря на большое количество работ по тематике метода ВУРЧ, ряд теоретических вопросов, определяющих эффективность практического применения, остался недостаточно исследованным. В частности, это расширение класса используемых весовых функций (ВФ), влияние помех на характеристики этого метода, развитие методов минимизации погрешности измерения в идеальных условиях и при нелинейности модуляционной характеристики (MX) СВЧ генератора.

Цель и задачи диссертации

Целью работы является исследование, разработка и проверка новых алгоритмов обработки сигнала разностной частоты (СРЧ) на основе метода ВУРЧ с использованием принципов адаптации в интересах дальнейшего уменьшения погрешности измерения малых расстояний.

Достижение поставленной цели требует решить следующие основные задачи для метода весового усреднения разностной частоты:

- провести анализ погрешности измерения расстояния при различных видах ВФ;

- разработать методику оценки влияния помех на алгоритмы обработки сигнала;

- разработать алгоритмы минимизации погрешности измерения расстояния;

- разработать алгоритмы учёта и компенсации нелинейности модуляционной характеристики передатчика;

- оценить возможности практической реализации разработанных методик и алгоритмов.

Методы исследования

При проведении исследований использовались методы функционального анализа и оптимизации, математический аппарат аналитических функций, математический аппарат теории случайных процессов, методы математического и численного моделирования.

Основные технические решения, которые положены в основу разрабатываемых устройств, исследовались методом имитационного и натурного моделирования с использованием макетных, опытных и серийных образцов частотных радиодальномеров.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Методика оценки дополнительной составляющей погрешности измерения расстояния, вызванной влиянием помех, порождённых мешающими отражателями, и коррелированных шумов, позволяющая доказать, что с помощью метода ВУРЧ возможно достижение погрешности измерения малых расстояний 1 мм и менее при отношении сигнал-шум или сигнал-помеха более 45 дБ.

2. Алгоритмы оптимизации параметров формы весовых функций (ВФ) по критерию минимума усреднённой погрешности измерения и оптимизации параметров ЧМ по критерию минимума мгновенной погрешности измерения при методе ВУРЧ, основанные на полученных выражениях для методической погрешности измерения расстояния, обеспечивающие выигрыш по погрешности измерения расстояния от 2-3 до нескольких десятков раз в зависимости от величины этого расстояния, вида ВФ и используемого параметра оптимизации.

3. Алгоритмы корректировки расчетной формулы для расстояния при нелинейности МХ, компенсации нелинейности путем введения корректирующей добавки в модулирующий сигнал и учета нелинейности при расчете расстояния, позволяющие уменьшить погрешность измерения от единиц до десятков раз при практически встречающихся видах нелинейности.

Научная новизна полученных результатов

В рамках данной диссертационной работы получены следующие новые научные результаты.

1. Получены выражения для методической погрешности измерения расстояния при использовании ВФ Кайзера-Байселя (КБ), обеспечивающие возможность уменьшения размерности пространства оптимизируемых параметров при минимизации погрешности.

2. Впервые исследовано влияние коррелированных шумов на погрешность измерения метода ВУРЧ при различных видах частотных характеристик устройства предварительной обработки и получены выражения, связывающие характеристики шума, параметры частотной характеристики и параметры ВФ с дисперсией результата измерения.

3. Исследовано влияние сигнала, порождённого мешающим отражателем, на погрешность измерения метода ВУРЧ и получены аналитические выражения, связывающие параметры ВФ, отношение сигнал-помеха, взаимное расположение мешающего и полезного отражателей.

4. Предложены реализуемые алгоритмы оптимизации формы ВФ и параметров ЧМ, позволяющие минимизировать погрешность измерения расстояния при методе ВУРЧ.

5. Предложены математическая модель МХ и методика определения её параметров по результатам экспериментального измерения статической МХ.

6. Предложены метод коррекции результатов расчета расстояния при нелинейности МХ на основе динамического расчёта параметров модели МХ по рабочему СРЧ, методика оперативной компенсации нелинейности МХ путем введения в модулирующее напряжение корректирующей добавки, вычисляемой по степени неравномерности периодов рабочего СРЧ, и алгоритмы учета нелинейности МХ при измерении расстояния.

Достоверность и обоснованность результатов обусловливаются использованием в процессе исследований адекватных математических моделей, корректным использованием математического аппарата, подтверждением полученных теоретических результатов имитационным моделированием и совпадением ряда частных результатов с результатами других авторов, а также с результатами собственных экспериментальных исследований.

Практическая значимость и внедрение результатов работы

Получены аналитические зависимости погрешности измерения расстояния для различных ВФ, позволяющие производить обоснованный выбор ВФ для конкретного практического применения.

Предложены практически реализуемые итерационные процедуры оптимизации параметров ВФ и параметров ЧМ, позволяющие минимизировать погрешность измерения расстояния.

Предложены и исследованы алгоритмы компенсации и учета нелинейности МХ, позволяющие добиться приемлемых уровней погрешностей измерения с использованием реальных, промышленно выпускаемых СВЧ модулей.

Полученные результаты позволяют проводить инженерное проектирование конкретных образцов частотных дальномеров с ВУРЧ для систем ближней радиолокации.

Реализация научных результатов и практических рекомендаций позволяет увеличить точность измерения расстояния, уменьшить влияние различных возмущающих факторов и повысить стабильность работы частотных радиодальномеров.

Результаты, полученные автором, внедрены:

- на ООО предприятии «КОНТАКТ-1» в серийно выпускаемых уровнемерах БАРС322МИ и БАРС332МИ;

- на кафедре радиоуправления и связи РГРТУ в виде лабораторной работы «Исследование алгоритмов цифровой обработки сигналов частотного дальномера».

На приборы разработаны ТУ и комплекты конструкторской документации, получены сертификаты соответствия в НАНИО "Центр по сертификации взрывозащищённого и рудничного оборудования" и разрешения на применение на поднадзорных Госгортехнадзору России производствах и объектах. Приборы востребованы промышленностью и награ-ждёны рядом дипломов международных промышленных выставок.

Апробация работы

Основные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались:

• на III, V, VI и X Международной НТК «Цифровая обработка сигналов и её примене-

ние» (Москва, 2000,2003, 2005 и 2008);

• Международной конференции «Датчики и системы» (Санкт-Петербург, 2002);

• 12-й Международной конференции «СВЧ техника и телекоммуникационные технологии» (Севастополь, 2002);

• Международной НТК «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления» (Москва, 2003);

• V и VII международной НТК «Физика и технические приложения волновых процессов» (Самара, 2006,2008);

• Всероссийской научной конференции «Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике» (Муром, 2003);

• XXVI Всероссийском симпозиуме «Радиолокационное исследование природных сред» (Санкт-Петербург, 2009).

Публикации

Материалы диссертации опубликованы в 26 работах, среди которых 8 статей в научных журналах, входящих в перечень ВАК, две статьи в зарубежном журнале, 13 докладов на научных конференциях и 2 патента на изобретения. Структура и объём работы

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Атаянц Б. А., Баранов И. В., Болонин В. А., Езерский В. В., Мирошин С. В. Требования к цифровой реализации адаптивного ЧМ-уровнемера II 3-я Международная НТК «Цифровая обработка сигналов и её применение». Москва, 2000 г. Доклады-2. - С 158-161.

2. Атаянц Б. А., Баранов И. В., Болонин В. А., Езерский В. В., Кагаленко Б. В. Бесконтактный радиоволновый датчик расстояния повышенной точности и стабильности // XIII НТК "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления". Гурзуф, 2001.

3. Езерский В. В., Баранов И. В., Болонин В. А. Компенсация нелинейности модуляционной характеристики ЧМ-дальномеров на основе анализа принятого сигнала // Датчики и системы: сб. докл. междунар. конф. Том 1. - Санкт-Петербург, 2002. - С. 218-222.

4. Езерский В. В., Баранов И. В. Анализ точности датчика расстояния на базе ЧМ дальномера с весовым сглаживанием дискретной ошибки // Датчики и системы: сб. докл. междунар. конф. Том 3. - Санкт-Петербург, 2002. - С. 22-26.

5. Езерский В. В., Болонин В. А., Баранов И. В. СВЧ уровнемер с весовым сглаживанием дискретной ошибки II СВЧ техника и телекоммуникационные технологии: материалы 12-й междунар. конф. - Севастополь: Вебер, 2002. - С. 453-454.

6. Езерский В. В., Болонин В. А., Баранов И. В. Алгоритм компенсации нелинейности модуляционной характеристики ЧМ дальномеров II Вестник РГРТА. - Рязань, 2002, Вып. 10. - С. 38-42.

7. Езерский В. В., Баранов И. В. Анализ методической погрешности датчика расстояния на базе ЧМ дальномера с весовым сглаживанием дискретной ошибки II Вестник РГРТА. -Рязань, 2003, Вып. 11. - С. 61-65.

8. Езерский В. В., Болонин В. А., Баранов И. В. Цифровая обработка сигнала ЧМ дальномера с весовым сглаживанием дискретной ошибки II Цифровая обработка сигналов и её применение: доклады 5-й междунар. конф. Том 1. - Москва, 2003. - С. 237-239.

9. Езерский В. В., Болонин В. А., Баранов И. В., Давыдочкин В. М. Пронин В. А. Обработка сигналов датчика расстояния на основе частотного дальномера с учётом нелинейности модуляционной характеристики передатчика // Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления: материалы конф. - М.: МГИЭМ, 2003. -С. 101-103.

10. Атаянц Б. А., Езерский В. В., Болонин В. А., Баранов И. В., Давыдочкин В. М., Пронин В. А. Учёт нелинейности модуляционной характеристики передатчика при измерении расстояния широкополосным частотно модулированным радиолокатором II Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике: сб. докл. всерос. НТК.- Муром, Ми В л ГУ, 2003. - 546 с.

11. Атаянц Б. А., Езерский В. В., Болонин В. А., Баранов И. В., Давыдочкин В. М., Пронин В. А. Влияние нелинейности модуляционной характеристики передатчика на измерение дальности ближней радиолокации // Информационно-измерительные и управляющие системы. - 2003, Т.1, № 2-3. - С. 50-56.

12. Езерский В. В., Баранов И. В. Оптимизация весового метода сглаживания погрешности дискретности датчика расстояния на основе частотного дальномера // Измерительная техника, 2004, № 12. - С. 19-23.

13: Ezersk V. V., • Baranov I. V. Optimization of weighting methods of smoothing the discreteness"error of distance sensors based on a frequency rangefinder // Measurement techniques. - 2004. - V. 47, № 12. - P. 1160-1167.

14. Езерский В. В., Паршин В. С., Баранов И. В., Гусев В. С., Багдагюлян А. А. Сравнительный анализ помехоустойчивости алгоритмов измерения дальности ЧМ дальномером в спектральной области II Вестник РГРТА. Рязань, 2004. Вып. 14. - С. 43-48.

15. Пат. 2234716 Российская Федерация, МПК7 G01 S 13/34. Способ формирования зондирующего частотно-модулированного сигнала для дальномера с периодической частотной модуляцией I Б. А. Атаянц, И. В. Баранов, В. А. Болонин, В. М. Давыдочкин,

B. В. Езерский, Б. В. Кагаленко, В. А. Пронин; заявл.04.03.03; опубл.20.08.04, Бюл.№ 23. -8 е.: ил.

16. Пат. 2234108 Российская Федерация, МПК7 G01 S 13/34. Способ измерения расстояния (варианты) I Б. А. Атаянц, В. В. Езерский, И. В. Баранов, В. А. Болонин, В. М. Давыдочкин, В. А. Пронин; заявл.18.12.02; опубл. 10.08.04, Бюл.№ 22. -8 е.: ил.

17. Езерский В. В., Баранов И. В., Мирошин С. В. Компьютерная модель обработки сигналов в ближней частотной радиолокации II Труды Российского НТО РЭС им. Попова. Серия: Цифровая обработка сигналов и её применение.6-я междунар. конф. Выл. VII-1.- М. 2005. - С. 238-242.

18. Езерский В. В., Баранов И. В. Математическая модель модуляционной характеристики частотно-модулированного СВЧ генератора // Физика и технические приложения волновых процессов: доклады V международной НТК. - Самара, 2006. - С. 66.

19. Баранов И. В., Езерский В. В. Минимизация погрешности измерения расстояния при цифровой обработке сигналов частотных дальномеров промышленного применения // Вестник РГРТА. Рязань, 2008, Вып. 2 (24). - С. 55-60.

20. Баранов И. В., Езерский В. В. Цифровой спектральный анализ полигармонического сигнала II Труды Российского НТО РЭС им. Попова. Серия: Цифровая обработка сигналов и её применение.10-я Международная конференция. Вып. Х-1. Москва, 2008. -

C. 173-175.

21. Баранов И. В., Езерский В. В., Каминский А. Ю. Измерение толщины льда при помощи частотно-модулированного дальномера II Измерительная техника 2008, № 7. - С. 2125.

22. Баранов. И. В., Езерский В. В. Минимизация погрешности измерения расстояния в частотных дальномерах промышленного применения при оценке частоты сигнала биений с помощью весового усреднения II Физика и технические приложения волновых процессов: тезисы докладов VII международной научно-технической конференции (11-17 сентября 2008). - С.71 -72.

23. Баранов И. В., Езерский В. В. Влияние шума на погрешность измерения расстояния в частотных дальномерах промышленного применения при оценке частоты сигнала биений с помощью весового усреднения // Физика и технические приложения волновых процессов: тезисы докладов VII международной научно-технической конференции (11-17 сентября 2008). - С.47-48.

24. Baranov I. V., Ezerski V. V., Kaminskii A. Yu. Measurement of the thickness of ice by means of a frequency-modulated radiometr // Measurement Techniques, 2008, Vol. 51, № 7. - P. 726733.

25. Баранов И. В., Езерский В. В. Оптимизация параметров модуляции в ближней частотной радиолокации при весовом усреднении разностной частоты // Вестник РГРТУ. Рязань, 2009. Вып. 2 (28). - С.30-37.

26. Баранов И. В., Езерский В. В. Учет нелинейности модуляционной характеристики передатчика при весовом усреднении разностной частоты в частотных дальномерах промышленного применения II Вестник РГРТУ. Рязань, 2011. Вып. 35. - С. 35-41.

Баранов Илья Владимирович

Алгоритмы адаптивной обработки сигнала на основе весового усреднения разностной частоты в частотном дальномере ближнего действия

Специальности:

05.12.04 «Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения» 05.12.14 «Радиолокация и радионавигация»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Просмотров: 244 | Добавил: dissim | Рейтинг: 0.0/0
Всего комментариев: 0
Поиск
Календарь
«  Октябрь 2012  »
ПнВтСрЧтПтСбВс
1234567
891011121314
15161718192021
22232425262728
293031
Архив записей
Друзья сайта
  • Официальный блог
  • Сообщество uCoz
  • FAQ по системе
  • Инструкции для uCoz
  • Copyright MyCorp © 2017
    Бесплатный конструктор сайтов - uCoz