Введение к работе
Актуальность работы. Развитие и усложнение информационно-измерительных систем (ИИС) неизбежно приводят к увеличению количества получаемой, обрабатываемой и передаваемой измерительной информации. Серьезным препятствием роста объема информации выступает ограниченная пропускная способность каналов связи. Проблема особенно актуальна для распределенных систем мониторинга и контроля технически сложных объектов ракетно-космической техники (РКТ). В настоящее время ведутся работы по внедрению в РКТ более совершенных интерфейсов, однако это требует замены аппаратуры и отраслевых стандартов. Частично проблема может быть решена за счет модернизации аппаратного обеспечения интерфейсов передачи данных, что является длительной и затратной процедурой. Более эффективный путь решения проблемы - разработка алгоритмов сжатия и восстановления сигналов и соответствующая модернизация программного обеспечения.
Вопросами совершенствования ИИС за счет разработки методов цифровой обработки сигналов занимались отечественные ученые А. А. Афонский, А. С. Глинченко, Л. М. Гольденберг, В. П. Дьяконов, Е. А. Ломтев, Н. В. Мясникова, А. Б. Сергиенко, Б. В. Цыпин, Э. К. Шахов, М. А. Щербаков, В. М. Шляндин и др. Заметный вклад внесли зарубежные ученые Ж. Макс и С. Л. Марпл-мл., А. В. Оппен-гейм, Р. В. Хемминг, Р. В. Шафер.
На сегодняшний день известен ряд методов параметрического анализа (МПА) сигналов, предполагающих наличие некоторой модели сигнала и позволяющих осуществлять сжатие сигналов без потери информации. Среди МПА можно выделить метод наименьших квадратов (МНК) Прони, в основу которого заложена модель, представляющая собой сумму колебательных составляющих разной частоты с соответствующими амплитудами, фазами и затуханиями, наиболее естественно описывающая свободные и вынужденные колебания в агрегатах и системах РКТ. Применение метода позволяет проводить с высокой точностью измерение параметров колебательных компонент (амплитуд, частот, коэффициентов затухания) на фоне действия шумов и помех. Представляет интерес рассмотреть возможности применения метода для сжатия-восстановления измерительных сигналов в ИИС и оценить полученные результаты.
Однако реализация метода трудоемка и требует больших вычислительных ресурсов, что препятствует его применению в системах реального времени. Существенно уменьшить трудоемкость метода возможно, если предварительно выделить знакопеременные составляю-
щие сигнала с последующим оцениванием параметров этих составляющих на основе МНК Прони, задавая порядок модели не выше второго.
В такой комбинации методы не применялись, поэтому целесообразно рассмотреть возможность применения в ИИС комбинационных методов сжатия-восстановления и измерения параметров колебательных компонент сигналов в условиях действия шумов и помех.
Целью данной работы является совершенствование ИИС за счет применения методов сжатия-восстановления сигналов с применением процедуры Прони в условиях действия шумов и помех с одновременным измерением параметров колебательных компонент сигналов.
Основные задачи исследования:
-
Анализ существующих методов сжатия-восстановления сигналов и выбор наиболее перспективных, позволяющих совместить сжатие с измерением параметров колебательных компонент измерительных сигналов в ИИС.
-
Разработка ИИС с использованием методов сжатия-восстановления с одновременным измерением параметров колебательных компонент измерительных сигналов на основе комбинации МНК Прони и разложения на знакопеременные составляющие.
-
Определение функциональных характеристик предложенных методов сжатия-восстановления сигналов.
-
Определение метрологических возможностей комбинаций методов в условиях действия шумов и помех.
-
Разработка рекомендаций по применению методов сжатия-восстановления сигналов с одновременным измерением параметров их колебательных компонент.
Методы исследования. При выполнении работы были использованы принципы построения ИИС, основные положения теории цифровых измерений и обработки сигналов, численные методы аппроксимации и фильтрации сигналов, теория сжатия и восстановления измерительных сигналов, элементы теории метрологического обеспечения, а также моделирование в среде MatLab.
Научная новизна работы:
-
Предложены и реализованы методы сжатия-восстановления измерительных сигналов на основе МНК Прони. Разработаны алгоритмы построения ИИС в зависимости от распределения вычислительной мощности между передающей и приемной сторонами.
-
Предложены и реализованы комбинационные методы сжатия-восстановления на основе процедуры Прони и метода экстремальной фильтрации (или метода разложения на эмпирические моды) с одно-
временным измерением параметров колебательных компонент измерительных сигналов и оценены их функциональные характеристики и метрологические возможности.
-
Проведено исследование влияния параметров регистрации (длина реализации, число периодов), оцифровки (разрядность АЦП, шаг дискретизации), условий воспроизведения сигнала (уровень шума, частота гармонической помехи) на погрешности восстановления и измерения параметров колебательных компонент сигналов. Разработаны рекомендации для выбора параметров регистрации, оцифровки и условий воспроизведения сигнала.
-
Разработана структура ИИС с применением комбинационных методов сжатия-восстановления измерительных сигналов с одновременным измерением параметров их колебательных компонент.
Практическая значимость работы состоит в разработке для ИИС методов сжатия-восстановления с одновременным измерением параметров частотных компонент измерительных сигналов на основе параметрического анализа; в разработке рекомендаций по выбору методов и параметров регистрации и оцифровки сигналов в зависимости от специфики решаемой задачи. Использование предложенных методов в ИИС повышает быстродействие и коэффициент подавления помех.
На защиту выносятся:
1. Результаты анализа методов сжатия-восстановления измери
тельных сигналов с использованием авторегрессионных методов, в том
числе МНК Прони. Авторегрессионные методы требуют минимальных
вычислительных ресурсов передающей части ИИС и обеспечивают
сжатие в NI2p раз (N - число сжимаемых отсчетов сигнала, р - порядок
модели, завышенный по сравнению с истинным). Использование ап
проксимацией суммой комплексных экспонент позволяет очистить сиг
нал от шумов и помех и уменьшить/? до истинного порядка.
-
Комбинации методов сжатия-восстановления с одновременным измерением параметров колебательных компонент сигналов на основе МНК Прони и разложения на знакопеременные составляющие.
-
Рекомендации по выбору методов обработки сигналов для их сжатия с одновременным измерением параметров их колебательных компонент, а также параметров регистрации и оцифровки сигналов в зависимости от предъявляемых метрологических и функциональных требований.
-
Структурная схема ИИС, построенной на основе комбинационных методов сжатия-восстановления сигналов с одновременным измерением параметров их колебательных компонент.
-
Результаты практической реализации и внедрения результатов работ.
Предмет исследования. Предметом исследования являются функциональные характеристики и метрологические возможности методов сжатия-восстановления с одновременным измерением параметров колебательных компонент сигналов.
Объект исследования. Объектами исследования являются ИИС, построенные на основе методов сжатия-восстановления с одновременным измерением параметров колебательных компонент измерительных сигналов с применением процедуры Прони.
Реализация работы и внедрение результатов.
Основные результаты работы внедрены в ОАО «Научно-исследовательский институт физических измерений», г. Пенза:
при изготовлении и настройке макетных образцов преобразователя для измерения частоты вращения вала турбоагрегата ракетных двигателей, разрабатываемого в рамках Федеральной целевой космической программы России на 2006-2015 гг.;
при разработке модулей сжатия пакетов цифровой информации отдельных мониторинговых датчиков, в том числе быстропере-менных процессов в составе системы мониторинга и контроля состояния космических аппаратов для НПО им. С. А. Лавочкина, выполняемой на основании решения Комиссии при Президенте Российской Федерации по модернизации и технологическому развитию экономики России от 28.10.2009 г. № 5 и распоряжения Правительства Российской Федерации от 30 июня 2010 г. №1076-рв;
в методах обработки информации, обеспечивающих повышение точности измерений с помощью датчиков и вторичную обработку измерительной информации в системах телеметрии и локальных измерительных сетях, разработанных по Федеральной целевой программе «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы» в процессе выполнения НИР «Исследование принципов создания информационно-измерительных комплексов для высокоточных наземных аэрогазодинамических испытаний ракетно-космической техники».
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международной научно-технической конференции «Методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации («Шляндинские чтения-2010»), Пенза, 2010 г.; межрегиональной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Датчики и системы-2011», Пенза, 2011 г.; международной научно-технической конференции «Проблемы автоматизации и управления в технических системах», Пенза, 2011 г.; международной научно-технической конференции с элементами научной
школы для молодых ученых «Датчики и системы: методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации», Пенза, 2012.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 3 статьи в журналах из перечня ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы, содержащего 72 наименования, изложена на 168 страницах машинописного текста, включая 65 рисунков и 2 таблицы. В приложении приведены акты внедрения результатов диссертационной работы, а также программы для моделирования алгоритмов в среде MatLab.
