Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Радиолокация и радионавигация

Диссертационная работа:

Езерский Виктор Витольдович. Методы повышения точности измерения расстояния в радиодальномере с частотной модуляцией для промышленных систем ближней радиолокации : Дис. ... д-ра техн. наук : 05.12.14 Рязань, 2005 448 с. РГБ ОД, 71:06-5/393

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ 9

ВВЕДЕНИЕ И

1 ТРАДИЦИОННЫЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ В ДАЛЬНО МЕРЕ С ЧАСТОТНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ (АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР) ФОРМУЛИРОВКА ЗАДАЧИ ОПТИМИЗАЦИИ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ 29

1.1 Вводные замечания 29

1.2 Временной метод анализа частотно-модулированного дальномера 32

1.3 Спектральный метод анализа частотно-модулированного дальномера 38

1.4 Источники погрешности измерения частотно-модулированным дальномером 39

1.5 Методы сглаживания ошибки дискретности 41

1.5.1 Оптимальный метод оценки частоты радиоимпульса 44

1.5.2 Сохранение некоторой несущей частоты в результирующем колебании на выходе смесителя 44

1.5.3 Обработка характерных точек сигнала разностной частоты 45

1.5.4 Метод оценки средней частоты сигналов во временной области с помощью дробного дифференцирования 53

1.5.5 Методы, основанные на линейных моделях 53

1.5.6 Методы, основанные на спектральном анализе сигнала разностной частоты 56

І.бОбоснование выбора для исследования методов сглаживания ошибки дискретности 59

1.7 Формулировка задачи оптимизации обработки сигналов частотного дальномера 61

1.8 Выводы 63

2 МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ СИГНАЛОВ, ПОМЕХ, ШУМОВ И УСТРОЙСТВ ФОРМИРОВАНИЯ СИГНАЛОВ 65

2.1 Постановка задачи 65

2.2 Феноменологическая модель радиолокационного сигнала 68

2.2.1 Модель стабильной цели 68

2.2.2 Модель флюктуирующей цели 71

2.3 Распределение элементарных фаз в модели флюктуирующей цели 78

2.4 Аппроксимация закона распределения огибающей радиосигнала в модели флюктуирующей цели 82

2.5 Распределение нормированных параметров сигнала 85

2.6Модели помех и шума 89

2.7Математическая модель модуляционной характеристики частотно модулированного генератора 96

2.8 Выводы 100

ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ЧАСТОТНОЙ МОДУЛЯЦИИ ПРИ СЧЁТНОМ МЕТОДЕ ИЗМЕРЕНИЯ РАЗНОСТНОЙ ЧАСТОТЫ 103

3.1 Вводные замечания 103

3.2 Алгоритм работы частотного дальномера с адаптивной оптимизацией параметров модуляции 104

3.3 Методическая погрешность частотного дальномера с оптимизацией параметров частотной модуляции 110

3.3.1 Подсчёт числа периодов сигнала разностной частоты в фиксированном измерительном интервале времени 111

3.3.2 Подсчёт числа периодов сигнала разностной частоты в интервале времени, кратном полупериоду модуляции 114

3.3.3 Снижение методической погрешности путём коррекции результата расчёта расстояния 119

3.4 Погрешность определения расстояния, обусловленная неточностью адаптации модуляции 124

3.5 Влияние нелинейности модуляционной характеристики на методическую погрешность счётного метода измерения частоты 126

3.5.1 Квадратичная модуляционная характеристика 128

3.5.2 Колебательная модуляционная характеристика 130

3.5.3 Квадратичная модуляционная характеристика с колебательной компонентой 136

3.6 Влияние шума на точность определения расстояния дальномером с адаптивной частотной модуляцией 136

3.7 Результаты численного моделирования частотного дальномера с адаптивной модуляцией излучаемых сигналов 146

3.8 Выводы 148

ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ВЕСОВОЙ ФУНКЦИИ ДЛЯ ВЕСОВОГО МЕТОДА УСРЕДНЕНИЯ РАЗНОСТНОЙ ЧАСТОТЫ . 151

4.1 Вводные замечания 151

4.2 Алгоритм весового усреднения разностной частоты 152

4.3 Методическая погрешность определения расстояния 155

4.4 Оптимизация весового метода усреднения разностной частоты по минимуму погрешности измерения расстояния 167

4.5 Влияние шумов на погрешность весового метода усреднения разностной частоты 173

4.6 Результаты численного моделирования частотного дальномера с оптимизацией весового метода усреднения разностной частоты 186

4.7 Выводы 193

МЕТОДЫ ОПТИМИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ МОДУЛЯЦИИ И ВЕСОВОЙ ФУНКЦИИ ПРИ ОЦЕНКЕ РАЗНОСТНОЙ ЧАСТОТЫ В СПЕКТРАЛЬНОЙ ОБЛАСТИ 197

5.1 Постановка задачи 197

5.2 Оценка разностной частоты по положению максимума спектра 198

5.2.1 Метод определения погрешности оценки разностной частоты по положению максимума спектра СРЧ 198

5.2.2 Методическая погрешность оценки разностной частоты по положению максимума спектра при весовых функциях Дольфа-Чебышева и Кайзера-Бесселя 201

5.2.3 Минимизация методической погрешности измерения на основе оптимизации параметров модуляции 206

5.2.4 Минимизация погрешности измерения на основе оптимизации параметров весовой функции 210

5.2.5 Результаты численного моделирования частотного дальномера с оценкой разностной частоты по положению максимума спектра 215

5.3 Средневзвешенная оценка разностной частоты 222

5.3.1 Методическая погрешность средневзвешенной оценки разностной частоты 222

5.3.2 Оптимизация средневзвешенной оценки разностной частоты по минимуму погрешности измерения 229

5.3.3 Результаты численного моделирования частотного дальномера на основе средневзвешенной оценки частоты 233

5.4Влияние шума на погрешность измерения расстояния при обработке СРЧ в спектральной области 240

5.4.1 Влияние шума на погрешность измерения расстояния при оценке частоты по максимуму спектра СРЧ 240

5.4.2 Влияние шума на погрешность измерения расстояния при средневзвешенной оценке разностной частоты 244

5.5 Выводы 249

МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ РАССТОЯНИЯ ЧАСТОТНО-МОДУЛИРОВАННЫМ ДАЛЬНОМЕРОМ ПРИ НЕЛИНЕЙНОЙ МОДУЛЯЦИОННОЙ ХАРАКТЕРИСТИКЕ ГЕНЕРАТОРА 252

6.1 Вводные замечания 252

6.2 Методы адаптивного управления напряжением модуляции 254

6.2.1 Метод управления напряжением модуляции на основе измерения статической модуляционной характеристики 254

6.2.2 Метод управления напряжением модуляции на основе измерения динамической модуляционной характеристики 256

6.3 Методы учёта нелинейности модуляционной характеристики при расчёте расстояния 265

6.3.1 Метод полиномиальной аппроксимации зависимости разностной частоты от времени 266

6.3.2 Метод интерполяции положения крайних нулей сигнала разностной частоты 267

6.4 Методы цифрового синтеза частоты зондирующего сигнала 268

6.5 Выводы 269

МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ РАССТОЯНИЯ ЧАСТОТНО-МОДУЛИРОВАННЫМ ДАЛЬНОМЕРОМ ПРИ НАЛИЧИИ МЕШАЮЩИХ ОТРАЖЕНИЙ 271

7.1 Вводные замечания 271

7.2 Методы снижения влияния отражения от антенны 273

7.3 Погрешность измерения, вызванная влиянием отражённой волны на режим работы генератора 281

7.4 Метод адаптивной компенсации мультигармонической помехи 289

7.5 Использование алгоритмов параметрического спектрального анализа для повышения точности измерения расстояния 296

7.6 Использование методов распознавания образов для повышения точности измерения расстояния 301

7.7 Выводы 305

МЕТОДЫ И АППАРАТУРА ДЛЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ И ПРИМЕРЫ ПРАКТИЧЕСКОЙ РЕАЛИЗАЦИИ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ РЕЗУЛЬТАТОВ 308

8.1 Вводные замечания 308

8.2 Компьютерная модель частотного дальномера 310

8.3 Аппаратура и методика для экспериментальной оценки характеристик частотных дальномеров 316

8.3.1 Стенд для настройки и калибровки уровнемеров 317

8.3.2 Методика проведения измерений 319

8.4 Примеры практического применения рассмотренных методов сглаживания ошибки дискретности 321

8.4.1 Реализация методов, основанных на выделении характерных точек сигнала разностной частоты 323

8.4.2 Реализация спектрального метода оценки разностной частоты 329

8.5 Измерение уровня заполнения парка резервуаров 332

8.6 Выводы 343

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 345

ЛИТЕРАТУРА 349

ПРИЛОЖЕНИЕ А Исследование обобщённой вероятностной модели радиосигнала и её частных случаев V 373

ПРИЛОЖЕНИЕ Б Погрешность расчёта характеристик обнаружения радиосигнала при использовании бета-распределения для аппроксимации закона распределения огибающей 383

ПРИЛОЖЕНИЕ В Статистические характеристики поляризационных параметров частично поляризованных волн 386

ПРИЛОЖЕНИЕ Г Закон распределения коэффициентов деполяризации и симметрии радиолокационной цели 391

ПРИЛОЖЕНИЕ Д Метод устранения скачков фазы в сигнале разностной частоты 393 ПРИЛОЖЕНИЕ Е Приближённая оценка погрешности весового метода усреднения разностной частоты 401

ПРИЛОЖЕНИЕ Ж Аналитический метод нахождения оптимальных коэффициентов весовой функции 408

ПРИЛОЖЕНИЕ И Уменьшение влияния виртуального отражателя методом моделирования 410

ПРИЛОЖЕНИЕ К Измерение уровня заполнения резервуара слабо отражающим материалом 413

ПРИЛОЖЕНИЕ Л Распознавание случайных сигналов, описываемых бета-распределением 417

ПРИЛОЖЕНИЕ М Моделирование случайных сигналов с регулируемым законом распределения 425

ПРИЛОЖЕНИЕ Н Методика моделирования счётного метода определения разностной частоты 430

ПРИЛОЖЕНИЕ П Учет погрешностей антенн при определении матрицы рассеяния радиолокационной цели 433

ПРИЛОЖЕНИЕ Р Выбор метода определения инвариантных поляризационных параметров матрицы рассеяния радиолокационной цели 437

ПРИЛОЖЕНИЕ С Копии дипломов 442

ПРИЛОЖЕНИЕ Т Копии актов внедрения результатов 447 

Введение к работе:

Актуальность темы. В развитии радиолокационных систем с непрерывным излучением можно выделить три важнейших периода. Впервые метод радиолокации с непрерывным частотно-модулированным (ЧМ) сигналом был предложен в 20-х годах прошлого столетия. Одним из первых является изобретение американского инженера Дж.О Бентли, получившего патент на «Индицирующую систему для измерения высоты аэроплана» Практические применения этой идеи начались только к концу 1930-х годов, когда начал использоваться ультравысокочастотный диапазон, позволивший получить перестройку частоты на 20 - 30 МГц. Обработка сигнала в приемнике после смесителя осуществлялась в низкочастотной области Именно это явилось фундаментальной причиной широкого применения ЧМ систем ближней радиолокации (СБРЛ) с непрерывным излучением в военной авиации до второй мировой войны, а после того - и в гражданской авиации.

Первый период в нашей стране приходится на начало эры радиолокации в 1932-1933 гг в основном только в военных целях В это время Ю К Коровин и ряд других исследователей использовали непрерывное излучение радиоволн Значительный теоретический вклад в развитие теории радиоприёма ЧМ сигналов внёс С М Рытов

В конце 50-х годов прошлого века начался второй этап развития радиолокации при непрерывном излучении радиоволн Большинство фундаментальных теоретических работ по ЧМ радиолокации было опубликовано до начала 60-х годов. В этой работе кроме уже упомянутых Коровина Ю.К. и Рытова СМ и принимали участие известные учёные Гоноровский И С, Харкевич А.А , Богомолов А.Ф, Сивере А П., Сайбель А.Г , Винницкий А С и др Следует отметить интересную переводную монографию Мухаммеда Абд Аль-Вахаб Исмаила В эти годы основное применение ЧМ радиолокаторы находили в высо-тометрии Кроме этого ЧМ СБРЛ с непрерывным излучением разрабатывались для применений в морской навигации для торговых судов

Новое применение ближняя радиолокация с непрерывным ЧМ излучением нашла, когда появилась необходимость измерять очень малые расстояния, от долей метра до нескольких метров Первыми примерами военных применений явились, так называемые, дистанционные радиовзрыватели для артиллерийских снарядов и ракет, а также для систем определения движущихся целей. Многие из успехов создания подобных разработок были обеспечены развитием технологической базы в диапазонах сантиметровых и позже - миллиметровых волн и развитием микроэлектроники

Интенсивное развитие различных отраслей промышленности и возникновение систем автоматического управления производственными процессами привели в конце 60-х годов прошлого века к началу третьего этапа, отличающимся широким применением радиолокационных устройств в промышленности для измерения малых и сверх малых расстояний Это различные системы измерения уровня заполнения технологических резервуаров жидкими, вязкими, сыпучими и комковыми материалами, системы точного позиционирования сложного технологического оборудования (портальные краны и пр.), системы определения расстояния до препятствий и скорости на транспорте (автомобильном

железнодорожном и морском) и т.д Причём во м ^фид^сод<дода<|ЗДедся осуществлять

СП, 09

непрерывное бесконтактное слежение за расстоянием, а часто и скоростью его изменения Для решения таких задач в наилучшей степени подходят радиолокационные системы. В то время радиолокация в основном использовалась только в военных целях Доступная элементная база и состояние "холодной войны" не позволяли создать экономически выгодный прибор с необходимыми точностными характеристиками для промышленных целей Однако возникающие проблемы стимулировали развитие электронных компонентов в СВЧ диапазоне.

Пионерами в применении радиолокаторов в промышленности для измерения малых расстояний были шведская фирма SAAB и голландская Enraf-Nonius, создавшие на их основе приборы для измерения уровня заполнения промышленных резервуаров (уровнемеры) Фирма SAAB в 1975 году поставила на эксплуатацию свой первый уровнемер До середины девяностых годов она произвела более 15000 уровнемеров В 1976 году первый уровнемер создала немецкая фирма Krohne В этом же году получил задание на разработку уровнемера для танкеров Рязанский завод "Теплоприбор" Первые уровнемеры не обладали высокой точностью измерения Их погрешность составляла единицы и даже десятки сантиметров Только в начале девяностых годов была достигнута точность измерения 1 см Точность 2 см имел уровнемер "Луч-2" разработанный и освоенный в серийном производстве под руководством Б.А Атаянца на заводе "Теплоприбор".

Однако точность 1 см во многих случаях недостаточна для решения задач промышленности Для увеличения точности измерения понадобился гораздо более высокий уровень развития СВЧ-техники и применение современных аппаратуры и методов цифровой обработки сигналов. На увеличение точности с 1 см до 1 мм ушло ещё почти 10 лет.

Потребности промышленности в таких приборах огромны Невозможно перечислить все области их применения Колоссальный экономический эффект обеспечивается не только вследствие устранения ручных методов измерения, но и благодаря высокой надёжности, точности, оперативности и простоте внедрения в автоматизированные системы управления производством.

В настоящее время существует множество фирм за рубежом и в России, занимающихся выпуском уровнемеров и постоянно совершенствующих их характеристики Это известные фирмы' германские KROHNE, Endress&Hauser и VEGA, голландская ENRAF, шведская SAAB TANK Control, американская ROSEMOUNT, канадская Milltronics и др В России разработкой подобных приборов занимались ранее' Рязанские заводы "Тепло-прибор" и "Красное Знамя", Каменск-Уральское предприятие "Деталь", ГНПП "Исток" в г Фрязино Московской области и ряд других В настоящее время из них выпуском уровнемеров занимаются только "Деталь" и ГНПП "Исток" Кроме них известны такие предприятия как АОЗТ "Лимако" в г Туле и ООО "Предприятие Контакт-1" в г Рязани Однако, они не могут удовлетворить все потребности промышленности

Развитие выпускаемых приборов в основном находит своё отражение в патентной литературе и периодической печати. Среди многих можно отметить работы российских учёных Кагаленко Б В , Мещерякова В.П , посвященных исследованию ЧМ дальномеров

(ЧМД) с двойной частотной модуляцией, ряд статей группы авторов ГНПП "Исток", представляющих промышленно выпускаемый уровнемер миллиметрового диапазона длин волн и коллектив авторов из г. Тулы, использующих цифровой синтез частоты передатчика и миллиметровый диапазон длин волн.

В основном книги по теории ЧМ радиолокаторов были изданы в шестидесятых - семидесятых годах прошлого века Однако в этих работах не отражены современные методы формирования и обработки сигналов, учитывающие революционные изменения в элементной базе В последнее время появился учебник для ВУЗ-ов, написанный Бакулевым П.А. В нём основы частотной радиодальнометрии изложены на современном уровне, но очень лаконично.

Среди современных зарубежных авторов, определяющих направления развития промышленной ближней ЧМ радиолокации, выделяются своей активностью D. Bruimbi и К О. Edvardsson.

Последней серьёзной работой можно считать монографию российских авторов Комарова И.В. и Смольского СМ., изданную за рубежом на английском языке Эта интересная работа имеет общетеоретический характер. В ней в основном рассматриваются передающие устройства на основе автодинного принципа работы и теоретические основы систем обработки принятого сигнала Поэтому существует необходимость теоретического осмысления достигнутых результатов и обобщения разрозненных сведений, имеющихся в литературе и полученных автором в процессе работы над новыми приборами

Специфика применения ЧМ дальномеров (ЧМД) в промышленных системах ближней радиолокации заключается в следующем:

Диапазон измеряемых расстояний составляет величину от десятков сантиметров до 30^-50 метров при требуемой точности измерения от единиц см до 1 мм и даже до долей мм.

Во многих случаях измерения проводятся в сложных помеховых ситуациях, часто в замкнутых объёмах при наличии различного рода мешающих отражений и переотражений от балок, тросов, лестниц, технологических отверстий или площадок, фланцев выпускных и впускных трубопроводов. Если контролируемые поверхности при измерении уровня имеют невысокое значение диэлектрической постоянной и слабо поглощают радиосигнал, то наблюдается ещё и отражение от дна резервуара.

Приём сигнала производится на фоне шумов, возникающих в первых каскадах СВЧ узлов, и фазовых шумов передатчика.

На результат измерения существенно влияет нелинейность модуляционной характеристики (MX) передатчика

Измерения необходимо проводить в условиях значительного изменения параметров окружающей среды (температуры, влажности и давления) и среды в рабочей зоне, в условиях повышенной запылённости среды распространения радиоволн, наличия пара и конденсата влаги и отложения пыли на антенне

Вследствие физического ограничения на диапазон перестройки частоты при ЧМ и периодичности закона модуляции имеется ограниченный объём отсчётов сигнала разностной частоты (СРЧ), причём на очень малой измеряемой дальности для анализа могут быть получены всего несколько периодов СРЧ (3-^4 периода и менее).

Достижение высокой точности измерения требует применения довольно сложных алгоритмов обработки сигналов. Тем не менее, результат должен быть получен за ограниченное время, соответствующее динамике технологического процесса или темпу восприятия информации человеком.

Важнейшим фактором, подлежащим учёту при разработке алгоритмов, является возможность их практической реализации на доступной элементной базе при выполнении условия экономической эффективности применения приборов.

Таким образом, можно утверждать, что речь идёт о новой области применения частотной радиолокации

Исходя из вышесказанных соображений, в представленной диссертации поставлена и решена крупная научная проблема разработки научно-методических основ повышения точности измерения расстояния с помощью непрерывного частотно-модулированного сигнала в промышленных системах ближней радиолокации, создания реализуемых прецизионных дальномеров, которые можно применять в сложных условиях функционирования, и выяснения предельных возможностей таких систем с учетом влияния мешающих факторов, имеющая важное хозяйственное значение

Цели и задачи работы.

Целью работы является создание научно-методических основ для проектирования и разработки прецизионных промышленных ЧМ радиодальномеров малых и сверхмалых расстояний, методов формирования и обработки сигналов, обеспечивающих повышение точности измерения расстояния, внедрения научных результатов в реальные приборы и экспериментальная проверка полученных результатов на серийных образцах дальномеров.

Основные задачи исследования:

1 Разработка моделей сигналов и помех, учитывающих особенности работы ЧМД различного назначения в СБРЛ.

  1. Разработка методов оптимизации ЧМД, основанных на принципе адаптации, позволяющих реализовать потенциальные возможности исследуемых систем

  2. Оптимизация известных наиболее простых методов сглаживания дискретной ошибки, основанных на обработке СРЧ во временной области

4 Оптимизация методов обработки СРЧ в частотной области с использованием современных достижений спектрального анализа, позволяющих минимизировать погрешность измерения расстояния.

5. Анализ особенностей работы устройств частотной дальнометрии с нелинейной модуляционной характеристикой генераторов и разработка методов, позволяющих снизить влияние нелинейности или учесть её при расчёте расстояния

  1. Разработка и исследование методов и алгоритмов обработки СРЧ при наличии мешающих отражений и оценка обеспечиваемой ими точности измерения расстояния

  2. Проверка полученных теоретических результатов методами математического и численного моделирования, а также проведением широких экспериментальных исследований

  3. Практическая реализация предложенных алгоритмов и конкретных устройств на современной элементной базе

Методы исследования.

При проведении исследований использовался математический аппарат теории случайных процессов, методы математической статистики, методы функционального анализа и оптимизации, теории динамических систем, математический аппарат аналитических функций, методы математического и численного моделирования, а также методы экспериментального сопоставления теоретических и опытных характеристик

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. Вероятностная модель радиолокационной цели позволяющая выявить характеристики феноменологической модели цели, обеспечивающие условия возникновения всех её частных случаев, выполнить аппроксимацию этих частных случаев бета-распределением и доказать, что закон распределения нормированных энергетических характеристик радиосигнала является обобщением известного распределения Дирихле. 2 Метод формирования и обработки сигналов частотного радиодальномера, обеспечивающий достижение минимальной погрешности измерения на основе анализа параметров сформированного и принятого сигналов для устранения скачков фазы сигнала разностной частоты с помощью оптимизации параметров частотной модуляции и адаптации к изменяющейся обстановке.

  1. Эффективный критерий, метод и результаты оптимизации параметров весовых функций произвольной формы для весового метода усреднения разностной частоты и для спектрального метода оценки разностной частоты, позволяющие в беспомеховой ситуации и на фоне шума выполнить адаптивное изменение формы весовой функции и параметров частотной модуляции при изменении расстояния, обеспечивающие снижение методической погрешности измерения от десятков процентов до нескольких порядков.

  2. Методы формирования сигналов с линейной ЧМ при нелинейной MX и учёта ее нелинейности в алгоритме расчёта расстояния, основанные на непрерывном анализе неравномерности периодов СРЧ и её оперативном учёте для формирования компенсирующей добавки к модулирующему напряжению или расчёта расстояния, позволяющие обеспечить высокую точность измерения расстояния.

  3. Разработанные алгоритмические и аппаратные методы снижения влияния отраженного сигнала на погрешность измерения расстояния, позволяющие существенно уменьшить погрешности измерения, специфические для частотного радиодальномера и

рекомендация, что при наличии мешающих отражателей достаточно надёжные измерения можно производить с использованием комплексного подхода, предполагающего компенсацию помех, использование параметрических методов высокого разрешения и методов распознавания образов

  1. Компьютерная модель устройств обработки сигналов в частотной дальнометрии позволяющая проводить сравнительный анализ возможных вариантов построения ЧМД, выбирать наиболее рациональные методы формирования и обработки сигнала и оценивать достижимую погрешность измерения.

  2. Новые технические решения промышленной аппаратуры, реализованные в семействе ЧМ уровнемеров "Барс" и внедряемые в новые приборы, защищенные патентами РФ и обеспечивающие удовлетворение широкого диапазона требований потребителей по точности измерения и условиям реального применения.

Научная новизна полученных результатов.

Наиболее значимые новые научные результаты диссертационной работы заключаются в том, что в ней впервые:

  1. Параметры известной феноменологической модели радиосигнала связаны с вероятностными свойствами закона распределения огибающей радиосигнала и выявлены условия возникновения всех частных вариантов этого закона, что позволило выполнить аппроксимацию известного сложного закона распределения огибающей радиосигнала более простым законом распределения, охватывающим все его частные варианты, и для нормированных энергетических параметров сигнала получить неизвестное ранее обобщенное распределение Дирихле.

  2. Предложен и обоснован метод оптимизации формирования и обработки сигналов частотного дальномера, обеспечивающий достижение минимальной погрешности измерения на основе анализа вектора параметров сформированного и принятого сигналов и адаптации к изменяющейся обстановке Применение этого метода в конкретных случаях позволило разработать новый метод сглаживания ошибки дискретности на основе "сшивания" фазы СРЧ на границах полупериодов линейной ЧМ, и метод и эффективный критерий оптимизации параметров весовых функций для сглаживания ошибки дискретности на основе весовой оценки разностной частоты

  1. Предложен новый метод оптимизации параметров оконных функций и параметров ЧМ при спектральной обработке СРЧ, минимизирующий погрешность измерения расстояния.

  2. Разработан метод осуществления линейной ЧМ излучаемого сигнала при нелинейной MX генератора, новым в котором является формирование корректирующего сигнала по степени неравномерности периодов рабочего СРЧ, и методы учёта нелинейности MX генератора при расчёте расстояния по результатам измерения положения характерных точек СРЧ внутри периода модуляции.

5 Выявлены источники дополнительной погрешности измерения расстояния, специфичные для ЧМД, разработан метод оценки этой дополнительной погрешности, и предложены технические и алгоритмические решения, позволяющие снизить погрешность.

6 Разработана эффективная методика обработки сигнала при наличии мешающих отражателей, позволяющая уменьшить погрешность измерения и заключающаяся в компенсации мешающих сигналов, использовании параметрических методов высокого спектрального разрешения и методов распознавания образов.

  1. Разработана компьютерная модель ЧМД, учитывающая специфику методов формирования и обработки сигналов и наличие мешающих факторов, позволяющая объективно проверять полученные результаты при проведении теоретических исследований и существенно упростить процедуру выбора параметров при проектировании конкретного дальномера.

  2. На основе полученных теоретических результатов разработаны, доведены до серийного производства и сертифицированы конкретные реализации дальномеров различного класса точности, поставляемые промышленным предприятиям России и за рубеж, что свидетельствует о внутреннем единстве научных и практических результатов Ряд конкретных образцов приборов отмечен дипломами международных промышленных выставок.

Все технические решения, являющиеся итогом полученных в диссертации научных результатов, защищены патентами и авторскими свидетельствами на изобретения.

Практическая значимость и внедрение результатов работы.

Полученные результаты развивают теорию частотной радиодальнометрии в промышленных системах ближней радиолокации и могут непосредственно применяться при проектировании новых частотных радиодальномеров различного функционального назначения.

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

Полученные результаты внедрены

в учебный процесс рязанской государственной радиотехнической академии в виде отдельных разделов курса "Цифровая обработка сигналов" и учебного пособия "Цифровая обработка сигналов частотного дальномера" для курсового проектирования по указанному курсу;

на рязанском приборостроительном предприятии ООО "Контакт-1" при разработке под руководством соискателя трёх поколений уровнемеров, обеспечивающих погрешность измерения 5 см (Барс 322), 5 мм (Барс 331/332) и 1 мм (Барс 352). На каждый прибор разработаны ТУ и комплект конструкторской документации в соответствии с ЕСКД На приборы получены сертификаты соответствия в НАНИО "Центр по сертификации взрывозащищённого и рудничного оборудования" и разрешения на применение на поднадзорных Госгортехнадзо-ру России производствах и объектах

Все приборы востребованы промышленностью К настоящему времени на предприятиях России и за рубежом работают более 600 уровнемеров Барс 322 и более 50 уровнемеров Барс 331/332. Уровнемер Барс 352 подготовлен к серийному выпуску и проходит промышленные испытания.

Вклад автора в разработку проблем.

Все основные научные положения, выводы и рекомендации предложены соискателем В большинстве результатов публикаций, выполненных в соавторстве, соискателю принадлежит решающая роль, в остальных вклад соискателя эквивалентен вкладу других соавторов

Программные средства, использованные при анализе научных результатов и моделировании алгоритмов обработки сигналов, разработаны непосредственно автором или под его руководством.

Технические решения, вытекающие из теоретических результатов, разработаны при непосредственном участии автора и под его руководством.

Апробация работы. Основные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

XI Всесоюзной конференции по распространению радиоволн (Казань, 1975);

Всесоюзной конференции "Методы и аппаратура для измерения сдвига фаз и частоты сигналов" (Красноярск, 1979);

республиканской НТК "Моделирование в задачах радиолокации и интроскопии неоднородных сред" (Свердловск, 1983);

Всесоюзной НТК "Дистанционное зондирование земных покровов радио методами" (Москва, 1985);

Всесоюзной НТК "Радиоэлектроника и связь на службе качества" (Свердловск, 1988);

Международной конференции Международной академии информатизации "Технологии и системы сбора, обработки и представления информации" (Рязань, 1993);

XIII научно-технического семинара "Статистический синтез и анализ информационных систем" (Рязань, 1994);

VI, VII, XIII Международной НТК "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления" (Гурзуф,1994, 1995, 2001);

Всероссийской НТК "Новые информационные технологии в научных исследованиях радиоэлектроники" (Рязань, 1996);

Vl-й, Vlll-й Международной НТК "Радиолокация, навигация, связь" (Воронеж, 2000, 2002);

Ш-й, V-й, Vl-й, Vll-й Международной НТК "Цифровая обработка сигналов и ее применение" (Москва, 2000, 2003, 2004, 2005);

Международной конференции "Датчики и системы" (Санкт-Петербург, 2002),

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

1-ми 2-м Международном радиоэлектронном Форуме "Прикладная Радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития" (Харьков, 2002, 2005);

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

II, Ш международной НТК "Физика и технические приложения волновых процессов" (Самара, 2003; Волгоград, 2004 );

Всероссийской научной конференции "Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике" (Муром, 2003)

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 88 работах, среди которых 23 статьи в научных журналах, входящих в перечень ВАК, три статьи в зарубежных журналах, одна депонированная рукопись, 10 статей в различных региональных научно-технических сборниках статей, 34 текстов докладов и тезисов докладов, 16 патентов и авторских свидетельств на изобретения и одно учебное пособие

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, восьми глав, заключения, библиографии из 250 наименований и 16 приложений. Содержание работы изложено на 279 страницах основного текста, дополненных 134 иллюстрациями на 69 страницах, 24 страницами библиографии и 77 страницами приложений

Подобные работы
Визгина Ирина Ивановна
Электродинамическое моделирование излучающей системы сверхширокополосной радиолокации методом инвариантного погружения
Курикша Александр Вадимович
Применение методов решения некорректных задач для синтеза алгоритмов повышения разрешающей способности в радиолокации
Фан Чонг Хань
Повышение точности и разрешающей способности радиолокационного изображения цифровыми методами обработки сигналов
Богословская Мария Александровна
Повышение достоверности и точности измерения угловых координат целей моноимпульсным пеленгатором
Зыонг Дык Тхиен
Исследование возможностей и методов построения аппаратуры для нелинейной радиолокации
Шауки Эль Кахи
Исследование и разработка метода повышения эффективности использования волоконно-оптических линий связи в комбинированной локальной сети кабельного телевидения на примере г. Бейрута
Андропов Алексей Викторович
Повышение точности определения местоположения внутритрубных инспекционных снарядов за счет использования спутниковых радионавигационных систем
Кузнецов Евгений Николаевич
Структурные методы повышения точности измерения параметров электрических цепей
Николаева Елена Вячеславовна
Повышение точности и производительности резьбошлифования на основе разработанных метода и средств для измерения параметров наружных резьб
Филимонов Василий Валерьевич
Разработка методов и средств повышения точности частотно-цифровых измерительных устройств на принципах автоматизации процессов измерений

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net