Содержание к диссертации
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 [1]. Впервые метод измерения расстояния с помощью непрерывного частотно-модулированного (ЧМ) сигнала был предложен в 20-х годах прошлого столетия. Одним из первых является изобретение американского инженера Дж.О. Бентли, получившего патент [2] на «Индицирующую систему для измерения высоты аэроплана». В его предложении были все основные узлы радиодальномера с ЧМ; ЧМ передатчик, следящий фильтр, смеситель на нелинейном элементе, куда в качестве гетеродинного сигнала поступала часть мощности передатчика в результате просачивания между передающей и приёмной антеннами, усилитель сигнала разностной частоты и измеритель частоты, являющийся индикатором дальности. Такая система ближней радиолокации (СБРЛ) является очень простой и, следовательно, достаточно надежной. Отличительной чертой дальномера Бентли являлась синхронная электромеханическая (электромотором) перестройка частоты передатчика и гетеродина, а также небольшой диапазон измеряемой высоты.
Далее в работе для сокращения радиодальномер с непрерывным ЧМ сигналом будем называть ЧМ дальномером (ЧМД).
Практические применения этой идеи начались только к концу 1930-х годов, когда начал использоваться ультравысокочастотный диапазон, позволивший получить электрическую перестройку частоты на 20 - 30 МГц. Обработка сигнала в приемнике после смесителя осуществлялась в низкочастотной области. Именно это явилось фундаментальной причиной широкого применения ЧМ 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. Значн тельный теоретический вклад в развитие теории радиоприёма ЧМ сигналов внёс СМ. Рытов [3].
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 [4-15]. В этой работе принимали участие известные учёные: Винницкий А.С., Гоноровский И.С., Харкевич А.А., Богомолов А.Ф, Сивере А.П., Сайбель А.Г. и др. Интересной является работа Мухаммед Абд Аль-Вахаб Исмаила [12], подтолкнувшая развитие одного из методов обработки сигналов. Кроме отмеченных книг, публиковалось множество статей, которые невозможно перечислить, но вклад их авторов следует отметить. Эти работы заложили основы современной теории ЧМ радиолокации. В эти годы основное применение ЧМ радиолокаторы находили в высотометрии. Кроме этого ЧМ СБРЛ с непрерывным излучением разрабатывались для применений в морской навигации для торговых судов.
Новое применение ЧМ ближняя радиолокация с непрерывным излучением нашла, при измерении очень малых расстояний, от долей метра до нескольких метров [1, 16 - 18]. Первыми примерами таких применений явились, так называемые, дистанционные радиовзрыватели для артиллерийских снарядов и ракет, а также для систем определения движущихся целей. Многие применения стали возможными благодаря развитию 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, характерного широким применением радиолокационных устройств в промышленности [25 - 28]. Это различные системы измерения уровня заполнения технологических резервуаров (уровнемеры), 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 многих случаях требуется осуществлять непрерывное бесконтактное слежение за расстоянием, а часто и скоростью его изменения. Часть этих задач может быть решена радиоволновыми методами, развитием которых занимались Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. [25]. Но весь спектр приложений могут реализовать только радиолокационные системы.
В то время 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.
Для измерения расстояния чаще всего применяются импульсные радиолокаторы и ЧМ радиолокаторы. Первые подобные применения радиолокации в промышленности появились на основе ЧМ радиолокаторов. И в дальнейшем наибольшая доля подобных производимых приборов приходится на долю ЧМД.
Пионерами в промышленном применении радиолокаторов были шведская фирма SAAB и голландская Enraf-Nonius [20, 27, 28], использовавшие их для измерения уровня заполнения различных технологических резервуаров. 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 [28]. 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 [27]. Точность 2 см имел уровнемер "Луч-2" разработанный и освоенный в серийном производстве под руководством Б.А. Атаянца на заводе "Теплоприбор". Однако точность 1...2 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. Большой экономический эффект обеспечивается не только вследствие устранения ручных методов измерения, но и благодаря вы сокой надёжности, точности, оперативности и простоте внедрения в автоматизированные системы управления производством.
В настоящее время существует множество фирм за рубежом и в России, занимающихся выпуском подобных приборов и постоянно совершенствующих их характеристики. Это известные фирмы: германские KROHNE, Endress&Hauser и VEGA, голландская ENRAF, шведская SAAB TANK Control, американская ROSE-MOUNT, канадская Milltronics и др. В России разработкой подобных приборов занимались ранее: Рязанские заводы "Теплоприбор" и "Красное Знамя", Каменск-Уральское предприятие "Деталь", ГНПП "Исток" в г. Фрязино Московской области и ряд других. В настоящее время из них выпуском уровнемеров в достаточно больших масштабах 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.
Развитие выпускаемых приборов, в основном, находит своё отражение в патентной литературе и периодической печати. Отметим тут наиболее интересные работы [20-67]. Среди указанных .можно отметить работы российских учёных Кага-ленко Б.В., Мещерякова В.П., посвященных исследованию ЧМД с двойной частотной модуляцией, ряд статей группы авторов ГНПП "Исток" [59-61], представляющих промышленно выпускаемый уровнемер миллиметрового диапазона длин волн и коллектив авторов из г. Тулы [62] под руководством С.А. Либермана, использующих цифровой синтез частоты передатчика и миллиметровый диапазон длин волн.
Среди опубликованных работ важными, определяющими основные этапы развития ЧМД промышленного назначения, можно считать работы [20, 22, 23, 32], основанные на весовом методе оценки разностной частоты; [21, 24], предлагающие дополнительную медленную фазовую модуляцию ЧМ сигнала; [22, 38, 51], использующие линию задержки в качестве опорного, эталонного канала; [28, 48, 54, 63], применяющие калибровочный режим работы для измерения и компенсации нелинейности модуляционной характеристики (MX) передатчика на основе так называемого режима ступенчатой частотной модуляции непрерывного сигнала (зару бежная аббревиатура - FSCW); [62, 63], использующие цифровой синтез частоты передатчика в режиме FSCW; [44, 46, 54 - 57], рассматривающие особенности работы частотных дальномеров в условиях наличия мешающих отражений на основе различных вариаций метода максимума правдоподобия или методов высокого разрешения (например метод MUSIC [54]). Наиболее активные и известные авторы -это D. Bruimbi и К.О. Edvardsson.
У нас в стране книги по теории ЧМ радиолокаторов были изданы в шестидесятых - семидесятых годах прошлого века. Кроме работ, перечисленных выше, можно назвать [18, 67, 68]. Наиболее известная и основательная из всех - это монография Виницкого А.С. [4]. Однако в этих работах не отражены современные методы формирования и обработки сигналов, учитывающие революционные изменения в элементной базе. В конце восьмидесятых годов опубликована монография [69]. В ней на серьёзном уровне рассмотрены основы теории и принципы построения радиотехнических систем обнаружения и измерения ближнего действия, и особенности реализации систем, предназначенных для измерения параметров движения транспортных средств и охранных радиотехнических систем. В последнее время появился учебник для ВУЗ-ов [70], написанный Бакулевым П.А. В нём основы частотной радиодальнометрии изложены на современном уровне, но очень лаконично. За рубежом можно отметить работы [71, 72]. Причём работа [72] написана ведущим специалистом фирмы Krohne, издана на самой фирме и мало доступна широкому кругу специалистов. Последней серьёзной работой можно считать монографию российских авторов Комарова И.В. и Смольского СМ. [73], изданную за рубежом. В ней применительно к радиолокационным системам измерения малых расстояний рассматриваются теоретические основы обработки принятого сигнала и передающие устройства на основе автодинного принципа работы. Поэтому существует необходимость теоретического осмысления последних достигнутых результатов и обобщения разрозненных сведений, имеющихся в литературе и полученных автором в процессе работы над новыми приборами.
Специфика применения ЧМД в промышленных системах ближней радиолокации заключается в следующем:
• Диапазон измеряемых расстояний составляет величину от долей метра до 30-г50 метров при требуемой точности измерения от единиц сантиметров до одного миллиметра и даже до долей миллиметра.
• Во многих случаях измерения проводятся в сложных помеховых ситуациях, часто в замкнутых объёмах при наличии различного рода мешающих отражателей. Наблюдается множество переотражений от этих элементов. Если при измерении уровня контролируемый материал имеет невысокое значение диэлектрической постоянной и слабо поглощает радиосигнал, то наблюдается ещё и отражение от дна резервуара.
• Приём сигнала осуществляется на фоне шумов, возникающих в первых каскадах СВЧ узлов и фазовых шумов передатчика.
• На результат измерения сильное влияние оказывает нелинейность 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 и наличия пара и конденсата влаги и отложения пыли на антенне.
• Для обработки имеется ограниченный объём отсчётов сигнала, причём на очень малой измеряемой дальности для анализа могут быть получены всего несколько периодов сигнала (З-г-4 периода и менее).
• Достижение высокой точности измерения требует применения довольно сложных алгоритмов обработки сигналов. Тем не менее, результат должен быть получен в темпе динамики технологического процесса или восприятия информации человеком.
• Разрабатываемые алгоритмы должны быть практически реализуемы 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 проблема разработки научно-методических основ повышения точности измерения расстояния с помощью непрерывного частотно-модулированного сигнала в промышленных системах ближней радиолокации, создания и внедрения в серийное производство прецизионных дальномеров, которые можно применять в сложных условиях функционирования и выяснения предельных возможностей таких систем с учётом влияния мешающих факторов.
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 производство и проверка полученных результатов на реальных образцах дальномеров.
Основные задачи исследования:
1. Разработка моделей сигналов и помех, учитывающих особенности работы ЧМД различного назначения в СБРЛ.
2. Разработка методов оптимизации ЧМД, основанных на принципе адаптации, позволяющих более полно реализовать потенциальные возможности исследуемых систем.
3. Оптимизация наиболее известных простых методов сглаживания дискретной ошибки, основанных на обработке сигнала разностной частоты во временной области.
4. Оптимизация методов обработки сигналов разностной частоты в частотной области с использованием современных достижений спектрального анализа, позволяющих минимизировать погрешность измерения расстояния.
5. Анализ особенностей работы устройств частотной далыюметрии с нелинейной модуляционной характеристикой генераторов и разработка алгоритмов, позволяющих снизить влияние нелинейности или учесть её при расчёте расстояния.
6. Разработка и исследование методов и алгоритмов обработки сигнала разностной частоты при наличии мешающих отражений и оценка обеспечиваемой ими точности измерения расстояния.
7. Проверка полученных теоретических результатов методами математического и численного моделирования, а также проведением широких экспериментальных исследований.
8. 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.
Метод формирования и обработки сигналов частотного радиодальномера, обеспечивающий снижение методической погрешности измерения на один - два порядка в результате устранения скачков фазы сигнала разностной частоты с помощью оптимизации параметров частотной модуляции на основе анализа пара метров сформированного и принятого сигналов и адаптации к изменяющейся обстановке.
3. 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.
4. Методы формирования сигналов с линейной ЧМ при нелинейной MX и учёта её 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.
5: Разработанные алгоритмические и аппаратные методы снижения влияния отраженного сигнала на погрешность измерения расстояния, позволяющие на два порядка 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.
6. Компьютерная модель устройств обработки сигналов в частотной радио-дальнометрии, позволяющая проводить сравнительный анализ возможных вариантов построения ЧМД, выбирать наиболее рациональные методы формирования и обработки сигнала и оценивать достижимую погрешность измерения.
7. 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 особенностям реального применения.
Таким образом, в диссертации, по мнению автора, 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 учётом влияния мешающих факторов, имеющая важное хозяйственное значение.
Научная новизна полученных результатов.
Наиболее значимые новые научные результаты диссертационной работы заключаются в том, что в ней впервые:
1. Предложено описание характеристик известной феноменологической модели радиосигнала, позволившее связать её параметры с параметрами закона распределения огибающей радиосигнала и выявить условия возникновения всех частных вариантов этого закона, выполнена аппроксимация известного сложного закона распределения огибающей радиосигнала более простым законом распределения, охватывающим все его частные варианты, и для нормированных энергетических параметров сигнала получено неизвестное ранее обобщенное распределение Дирихле.
2. Предложен и обоснован метод оптимизации формирования и обработки сигналов частотного дальномера, обеспечивающий минимизацию 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 сигнала разностной частоты на границах полупериодов линейной ЧМ, и метод и эффективный критерий оптимизации параметров весовых функций для сглаживания ошибки дискретности на основе весовой оценки разностной частоты.
3. Предложен новый метод оптимизации параметров оконных функций и параметров частотной модуляции при спектральной обработке сигнала разностной частоты, минимизирующий погрешность измерения расстояния.
4. Разработан метод осуществления линейной частотной модуляции излучаемого сигнала при нелинейной модуляционной характеристике генератора, новым в котором является формирование корректирующего сигнала по степени неравномерности периодов рабочего сигнала разностной частоты, и методы учёта нелинейности модуляционной характеристики генератора при расчёте расстояния по результатам измерения положения характерных точек сигнала разностной частоты внутри периода модуляции.
5. Выявлены источники дополнительной погрешности измерения расстояния, специфичные для частотного дальномера, разработаны методы 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.
7. Разработана компьютерная модель частотного радиодальномера, 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.
8. Предложен новый метод дистанционного измерения уровня заполнения парка резервуаров разного типа с помощью одного измерительного прибора, полностью исключающий необходимость присутствия обслуживающего персонала в рабочей зоне. Это позволяет применять измерительную систему, созданную на его основе в экологически опасных условиях.
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 практиче ских 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, в которых соискатель является действующим соавтором.
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, что показано в главе 8.
Реализация научных результатов и практических рекомендаций диссертации позволяет увеличить точность измерения расстояния, уменьшить влияние различных возмущающих факторов и повысить стабильность работы частотных дальномеров.
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 взры-возащищённого и рудничного оборудования" и получены разрешения на применение на поднадзорных Госгортехнадзору России производствах и объектах.
Все приборы востребованы промышленностью. К настоящему времени на предприятиях России и за рубежом работают более 600 уровнемеров Барс 322 и бо лее 50 уровнемеров Барс 331/332. Уровнемер Барс 352 подготовлен к серийному выпуску и проходит промышленные испытания.
Акты внедрения приложены к диссертации, а их копии приведены в приложении Т.
Вклад автора в разработку проблем.
Все основные научные положения, выводы и рекомендации, включенные в текст диссертации, 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 диссертации, разработаны лично автором или при его непосредственном участии и руководстве.
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);
• VI-й, VIII-й Международной НТК "Радиолокация, навигация, связь" (Воронеж, 2000, 2002);
• Ш-й, V-й, VI-й, VII-й Международной НТК "Цифровая обработка сигналов и её 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-го и 2-го Международного Радио электронного Форума "Прикладная Радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития" (Харьков, 2002, 2005);
• Международной НТК "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления" (Москва, 2003);
• И, 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, 3 статьи в зарубежных изданиях, одна депонированная рукопись, 10 статей в региональных научно-технических сборниках статей, 34 текстов докладов и тезисов докладов на научно-технических конференциях, 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.
Во введении приведён краткий исторический обзор основных этапов развития частотных дальномеров для ближней радиолокации с указанием наиболее значимых достижений и их авторов и обоснована актуальность данной работы.
В первой главе коротко изложены основные сведения из общей теории частотной дальнометрии, необходимые для использования в последующих главах, обозначены источники погрешности измерения расстояния, рассмотрены известные методы сглаживания ошибки дискретности (ОД), их особенности и ограничения на применение, выбраны три метода для дальнейшего исследования и сформулирована задача адаптивной оптимизации процедур формирования и обработки СРЧ.
Во второй главе проанализированы известные методы описания свойств радиолокационных отражателей, обоснован выбор феноменологической модели, на основе предложенного описания статистических свойств параметров этой модели проанализированы условия возникновения частных случаев модели и предложена аппроксимация сложного закона распределения огибающей радиосигнала, порождаемого указанной моделью. Кроме того, получен многомерный закон распределения нормированных параметров радиосигнала, обобщающий известный закон распределения Дирихле, названный автором обобщённым распределением Дирихле, и показаны условия возникновения его частных случаев и превращения в исходный закон распределения. Здесь же рассмотрены математические модели помех, шума и модуляционной характеристики ЧМ генератора.
В третьей главе произведён эвристический синтез алгоритма адаптивной оптимизации параметров частотной модуляции на основе анализа свойств формируемого сигнала и СРЧ и анализ его характеристик при двух методах оценки разностной частоты, выявивший ограничения на степень сглаживания ошибки дискретности. Показана возможность дальнейшего снижения погрешности измерения путём коррекции результата расчёта расстояния с помощью итерационной процедуры и доказана сходимость этой процедуры. Проанализирована погрешность измерения расстояния, вызванная неточностью адаптивного управления модуляцией, нелиней ностью модуляционной характеристики и влиянием шума. Все теоретические результаты подтверждены численным моделированием с использованием компьютерной модели.
В четвёртой главе рассмотрен метод весового усреднения разностной частоты, дополненный адаптивным управлением параметрами частотной модуляции. Методическая погрешность измерения расстояния проанализирована точным аналитическим методом для весовой функции произвольного вида, представляемой в виде тригонометрического ряда, и приближённым методом. Результаты обоих методов хорошо совпадают. Предложено производить сравнение различных весовых функций с помощью среднего квадрата ошибки (СКО), полученного путём усреднения мгновенной погрешности на интервале дальности, равном ошибке дискретности. Предложен метод оптимизации параметров весовой функции, минимизирующий СКО для каждого значения измеряемой дальности и заключающийся в решении системы линейных уравнений для нахождения оптимальных параметров. Исследовано влияние шума на величину погрешности измерения расстояния при произвольной весовой функции и при использовании оптимальных значений параметров. Показано, что знание уровня шума позволяет уменьшить его влияние с помощью оптимизации параметров весовой функции. Проведено численное моделирование, подтвердившее все теоретические результаты.
В пятой главе произведена оптимизация спектрального метода оценки разностной частоты. Рассмотрена оценка по максимуму спектра и средневзвешенная оценка. Получены выражения для погрешности измерения расстояния, исследовано поведение погрешности измерения при изменении расстояния и предложены методы оптимизации параметров частотной модуляции и параметров весовой функции обеспечивающие минимум погрешности измерения. Исследовано влияние шума на погрешность измерения и показана возможность оптимизации параметров модуляции и весовой функции при наличии шума. Для каждого рассмотренного варианта оптимизации проведено численное моделирование, результаты которого хорошо согласуются с теоретическими результатами.
В шестой главе рассмотрены методы повышения точности измерения расстояния дальномером с нелинейной модуляционной характеристикой передатчика. Предложен метод оперативной оценки нелинейности модуляционной характеристики по неравномерности периодов СРЧ и формирования на этой основе компенсирующей добавки к напряжению модуляции, позволяющий производить адаптивную линеаризацию частотной модуляции. Разработаны два метода учёта нелинейности модуляционной характеристики при расчёте расстояния. Оба метода основаны на анализе взаимного положения характерных точек сигнала разностной частоты и двух точек, соответствующих эталонным частотам, внутри периода модуляции. В первом методе используется полиномиальная аппроксимация закона изменении частоты, а во втором методе - параболическая интерполяция положения эталонных точек внутри крайних периодов СРЧ.
В седьмой главе рассмотрены возможные методы борьбы с мешающими отражениями. Подробно разработаны методы снижения погрешности измерения, вызванной отражениями от неоднородностей в антенно-фидерном тракте, приводящим к возникновению "виртуального" отражателя, и влиянием отражений от полезного и мешающих отражателей на резонансную систему генератора.
Рассмотрены возможности снижения погрешности измерения с помощью компенсации сигнала разностной частоты, порождённого мешающими отражениями, с использованием параметрических методов спектрального анализа и методов распознавания образов.
В восьмой главе рассмотрены возможности практического использования полученных результатов. Разработана наращиваемая компьютерная модель частотного дальномера, позволяющая оперативно проводить оценку характеристик различных вариантов обработки сигналов в конкретных условиях работы дальномера. Разработаны стенд и методика для настройки и калибровки дальномеров, использованные при получении экспериментальных результатов. Приведено краткое описание особенностей практической реализации, обобщенная структура и внешний вид конкретных серийных приборов, используемых для контроля уровня заполнения технологических резервуаров. Предложен метод измерения уровня заполнения парка резервуаров одиночным измерительным прибором.
В заключении сформулированы основные результаты диссертации. Она подготовлена соискателем на основе научных и опытно-конструкторских работ, объединенных единой темой разработки реализуемых методов повышения точности измерения малых и сверхмалых расстояний с помощью частотного радиодальномера. В приложениях приведены некоторые математические выкладки, более подробные объяснения, дипломы международных выставок и акты внедрения теоретических результатов диссертационной работы.
Благодарности. Автор выражает благодарность своему научному консультанту Совлукову Александру Сергеевичу, главному научному сотруднику ИПУ РАН, д.т.н. за ценные советы, рекомендации, информационную поддержку и полезные обсуждения материалов диссертации.
Автор благодарен коллективу кафедры Радиоуправления и связи РГРТА за дружескую поддержку, заинтересованные обсуждения работы и ценную деловую критику.
Автор признателен коллективу ООО "Предприятие Контакт-1" за доброжелательное отношение, большую помощь в работе, постоянную подпитку новыми задачами и поддержку при внедрении результатов в реальные приборы.
Огромную благодарность автор выражает своему второму научному консультанту Атаянцу Борису Аванесовичу, генеральному директору ООО "Предприятие Контакт-1". Без его активной, заинтересованной, дружеской позиции, результативной критической оценки результатов, деловых обсуждений и предложений эта работа не могла состояться.
Автор выражает благодарность Смольскому Сергею Михайловичу за внимательное ознакомление с материалами диссертации, деловую конструктивную критику, ценные реализуемые советы и моральную поддержку.
