авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Разработка методов, алгоритмов и программ для свч-преобразователей информации в системах управления техническими объектами

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

ЛЬВОВ Пётр Алексеевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ, АЛГОРИТМОВ И ПРОГРАММ ДЛЯ СВЧ-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ИНФОРМАЦИИ

В СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКИМИ ОБЪЕКТАМИ

05.13.05 – Элементы и устройства вычислительной техники и систем

управления

А в т о р е ф е р а т

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Саратов – 2011

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Саратовский государственный
технический университет».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Большаков Александр Афанасьевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Попов Георгий Александрович
доктор технических наук, профессор Игнатьев Александр Анатольевич
Ведущая организация: Институт проблем точной механики и управления РАН (г. Саратов)

Защита состоится «18» мая 2011 г. в 15 часов на заседании
диссертационного совета Д 212.242.08 при ГОУ ВПО «Саратовский
государственный технический университет» по адресу: 410054, г. Саратов, ул. Политехническая, 77, ауд. 212/2.

С диссертацией можно ознакомиться в читальном зале научно-технической библиотеки ГОУ ВПО «Саратовский государственный
технический университет».

Автореферат разослан «14» апреля 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета А.А. Терентьев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Эффективность ряда систем управления в современных телекоммуникационных комплексах, в военной и космической технике во многом определяется характеристиками контуров обратной связи, одним из основных элементов которых являются СВЧ-преобразователи информации (СПИ). В настоящее время при построении этих преобразователей обычно используется метод векторного вольтметра. Он требует применения дорогостоящего СВЧ оборудования, ориентировочная стоимость которого составляет 50  100 тысяч долларов США, что существенно ограничивает его использование в прикладных областях.

В 1972 году Г. Энген и К. Хоэр предложили альтернативный векторному вольтметру метод многополюсного рефлектометра. Однако этот способ не нашёл широкого применения из-за сложности процедуры калибровки преобразователя и отсутствия у большинства исследователей нагрузок с достаточно точно известными параметрами в широком диапазоне частот. Поэтому созданные экспериментальные образцы автоматических СПИ, основанные на многополюсниках и описанные в зарубежной литературе (Т. Якабе, М. Киношита, Х. Ябе, Ф. Ганнучи, К. Ивамото, К. Фуджи, Х.С. Лю, Т.Х. Чу, А. Штельцер, С. Дискус, К. Любке, Х. Тим), оказались неудачными из-за высокой их стоимости и низкой точности проводимых измерений.



В конце прошлого века группой отечественных исследователей (А.А. Львов, А.А. Моржаков, К.В. Семёнов, Д.В. Ковалёв, Б.М. Кац) разработан СПИ в виде комбинированного многополюсного рефлектометра, часть датчиков которого слабо связана с полем внутри тракта и является многозондовой измерительной линией. Это устройство может быть откалибровано по набору нагрузок с неточно известными параметрами отражения, если достаточно точно известны расстояния от плоскости подсоединения исследуемого объекта до датчиков многозондовой линии, что его существенно упрощает и удешевляет. Однако в сантиметровом и миллиметровом диапазонах длин волн относительные ошибки в определении расположения датчиков вдоль СВЧ тракта линии становятся значительными, что снижает точность калибровки многополюсного рефлектометра и измерения исследуемых параметров состояния управляемого объекта.

В связи с этим целью настоящей работы является повышение точности калибровки, а также удешевление конструкции СПИ на основе многополюсных рефлектометров за счет применения оптимальных статистических методов и алгоритмов цифровой обработки получаемой информации.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи.

1. Анализ существующих СПИ, основанных на многополюсных рефлектометрах, в условиях случайных внешних воздействий и выявление основных недостатков, препятствующих достижению высокой точности измерений.

2. Разработка методов и алгоритмов калибровки комбинированных многополюсных рефлектометров на основе полигауссовской аппроксимации априорной плотности вероятности вектора оцениваемых расстояний от плоскости подсоединения исследуемой СВЧ цепи до датчиков многозондовой измерительной линии.

3. Модернизация существующих автоматических СПИ на основе многополюсного рефлектометра использованием комбинированного многополюсника, что позволит значительно повысить их точность и технологичность, а также существенно упростить конструкции приборов.

4. Разработка новых алгоритмов оценки коэффициентов передачи комбинированного многополюсника и неизвестных характеристик исследуемого объекта управления на основе применения оптимальных методов определения параметров в различных технических приложениях.

5. Создание пакетов прикладных программ, реализующих разработанные методы и алгоритмы, и проведение имитационного моделирования для оценки эксплуатационных характеристик предлагаемых анализаторов.

Предметом исследования являются теоретические, методические и практические аспекты построения СПИ систем управления на базе комбинированных многополюсников, а также применение оптимальных статистических методов цифровой обработки информации, получаемой с их выходов.

Методы исследования. При решении поставленных задач в работе используется аппарат теорий вероятностей и оптимального оценивания, в частности, методы максимального правдоподобия и наименьших квадратов. Достоверность полученных научных положений и результатов доказана теоретическими выводами и подтверждена результатами модельных экспериментальных исследований.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработан универсальный СПИ, основанный на многополюсном рефлектометре, отличающийся использованием в качестве преобразователя сигналов комбинированного многополюсника, что позволяет существенно повысить его точность и снизить себестоимость.

2. Разработан новый алгоритм калибровки комбинированного многополюсного рефлектометра, отличительной особенностью которого является уточнение расстояний от плоскости подсоединения измеряемого объекта до датчиков многозондовой линии и длины волны в тракте многополюсника на основе оценивания с использованием полигауссовской аппроксимации априорной плотности вероятности вектора неизвестных параметров, что позволило снизить основные систематические ошибки калибровки рефлектометра.

3. Построены оптимальные алгоритмы обработки данных с выходов многополюсника, позволяющие получать эффективные оценки определяемых параметров при его применении в различных технических приложениях: а) в системе построения разнесённых СВЧ изображений; б) в измерителе расстояния до плоской поверхности; в) в измерителе угла прихода радиолокационного сигнала; г) в доплеровском радаре измерения скорости объекта.

Практическая значимость полученных результатов заключается в том, что применение комбинированного многополюсника позволяет модернизировать известные конструкции СПИ, при этом существенно упрощается их изготовление и повышается точность измерения оптимизацией процедур измерения и калибровки. На основе предложенного метода повышения точности СПИ разработаны принципиально новые, которые могут быть откалиброваны по набору неизвестных нагрузок. Предложенные алгоритмы реализованы в виде программ математического обеспечения соответствующих преобразователей, которое может быть использовано при создании макетных образцов систем управления на их основе.

Реализация результатов. Полученные в работе теоретические результаты использовались при разработке алгоритмического и программного обеспечения для системы определения угла прихода телевизионного сигнала в Саратовском областном радиотелевизионном передающем центре и при разработке программного комплекса, предназначенного для проведения лабораторных работ и внедренного в учебный процесс на кафедре «Техническая кибернетика и информатика» Саратовского ГТУ, что подтверждено соответствующими актами.

Апробация работы. Основные результаты работы представлены и обсуждены на международных конференциях: «Математические методы в технике и технологиях» (Воронеж, 2006; Ярославль, 2007; Саратов 2008, 2010), «Радиотехника и связь» (Саратов, 2007), «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (Саратов, 2008), «Проблемы управления, передачи и обработки информации» (Саратов, 2009), а также на научных семинарах факультета электронной техники и приборостроения СГТУ в г. Саратове.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 работ, 3 из которых в журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 174 наименования, и приложения. Общий объем работы составляет 128 страниц, включая 26 рисунков и 8 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведено обоснование актуальности темы диссертационной работы, а также обзор по главам диссертации и перечень основных положений, выносимых на защиту.

В первой главе проведён критический анализ существующих СПИ и их математических моделей. Установлено, что метод многополюсного рефлектометра (МР) предложен в качестве альтернативы дорогостоящему методу векторного вольтметра, т.к. не требует большого объёма высокоточного оборудования. Однако основным недостатком при создании высокоточного СПИ на основе многополюсника являются большие систематические погрешности его калибровки.

Саратовские исследователи впервые предложили комбинированный многополюсный рефлектометр (КМР), структурная схема которого показана на рис. 1. Особенностью КМР является, что часть его датчиков представляют собой многозондовую измерительную линию (МИЛ) – СВЧ тракт регулярного поперечного сечения с измерительными портами, расположенными вдоль его продольной оси, причём данные выходы имеют слабую связь с полем внутри тракта и практически не нарушают картину стоячей волны, образуемой в МИЛ генератором и подсоединённой нагрузкой. Математические модели МР и МИЛ описываются системой уравнений:

, j = bj/ aj, ,, (1)

, , (2)

в которых ui – измеряемые уровни мощности на выходах детекторов, параметры Ai и Bi – комплексные коэффициенты передачи датчиков МР для прямой a и обратной b волн, i – коэффициенты передачи датчиков МИЛ, aj, bj, j и j – комплексные амплитуды падающей и отраженной волн в тракте, модуль и фаза i-й подсоединённой калибровочной нагрузки, соответственно, а известными точно: di – расстояния от опорной плоскости АА до соответствующего датчика МИЛ и длина волны . Для исследователя интерес представляют величина комплексного коэффициента отражения = b/a исследуемого объекта.

Система уравнений (2) может быть разрешена относительно входящих в неё неизвестных, т.е. МИЛ может быть откалибрована по набору неизвестных нагрузок с одновременной их аттестацией. После её калибровки можно, зная параметры нагрузок, откалибровать и МР, решив (1) относительно Ai и Bi. Следовательно, КМР может калиброваться по набору неизвестных нагрузок, что существенно упрощает и удешевляет СПИ на его основе.

Однако КМР имеет систематические ошибки, связанные с неточным знанием расстояний до датчиков и длины волны в тракте МИЛ. Поэтому в главе сформулирована задача повышения точности калибровки КМР для его использования в качестве СВЧ-преобразователя на основе уточнения математических моделей комбинированных многополюсников на базе оценивания их параметров при использовании заданного преобразователя в различных технических приложениях, определяющих специфику конкретной модели рефлектометра. Это позволит устранить основной источник систематических погрешностей метода КМР и повысить точность измерения исследуемых физических величин.

Вторая глава посвящена описанию алгоритма оценивания неизвестных параметров нелинейной модели.

Предположим, что рассматриваемая система и её модель описываются аналогичными уравнениями вида

, (3)




где Х – вектор входных сигналов модели, b – вектор неизвестных параметров модели, а n – вектор воздействия помех.

Критерием оценивания выбран минимум суммы квадратов отклонений наблюдаемых сигналов, реального объекта и его модели , где Ny –общее число измерений.

При таком выборе критерия оптимальной оценкой неизвестных параметров будет апостериорное среднее – результат усреднения плотности вероятности заданных параметров, полученной после обработки наблюдений.

Основная идея предложенного алгоритма заключается в аппроксимации априорной области изменения неизвестных параметров модели выпуклой комбинацией гауссовских кривых (рис. 2). Пусть компоненты вектора b имеют такое полигауссовское распределение в априорной области их изменения: , где wi – весовые коэффициенты, удовлетворяющие условию , а

соответствует выражению для многомерной гауссовской кривой со средним значением i и ковариационной матрицей оцениваемых параметров i. Эта матрица представляет априорные знания об ошибках оценивания вектора b, если выбрать в качестве оптимальной оценки этого вектора значения i, а M – размерность вектора b (число оцениваемых параметров модели). Предполагается, что используемые пики будут достаточно узкими, чтобы «основные массы» (по вероятности) кривых не пересекались между собой.

В работе показано, что апостериорная плотность вероятности, которую необходимо вычислить для решения задачи, также будет иметь вид совокупности гауссовских кривых. Однако параметры этой совокупности будут другими:

,

где , ,

,.

В последних выражениях Wi обозначает матрицу априорных ошибок измерения, а символ над параметрами их апостериорные значения. Таким образом, можно вычислить апостериорное математическое ожидание вектора параметров b (оптимальную в среднеквадратическом смысле оценку):

и апостериорную ковариационную матрицу ошибок оценивания

.

Структурная схема, поясняющая работу алгоритма, приведена на рис. 3. Этот алгоритм позволил уточнить значения неизвестных параметров di и в модели КМР. Использование традиционных методов калибровки в совокупности с данным алгоритмом позволяет создать универсальный СПИ на основе КМР для различных технических приложений.

Для иллюстрации работы этого алгоритма приведен пример построения разнесенных СВЧ изображений проводящих объектов. Особенность изображений состоит в том, что при их получении используется несколько разнесенных в пространстве приемников сигнала, которые получают фазовую картину отраженных от объекта сигналов с разных ракурсов. После чего эти данные объединяются для построения изображения объекта. Задача возникла в связи с появлением перспективного метода идентификации радиолокационных объектов не только по физическим параметрам движения (скорости, высоте полета, маневру), но и по форме аппарата, определяемой радиолокационным «изображением».

Предположим, что облучающая объект плоская монохроматическая волна распространяется в направлении ik, тогда поле рассеяния этого объекта, нормированное по дальности, в оптическом приближении выражается так:

(4)

где , , n – вектор внешней нормали к поверхности объекта S(r), а поверхностный интеграл берется по облучаемой части объекта. Складывая и , измеренное с обратной стороны объекта и используя теорему Остроградского-Гаусса, можно получить следующее выражение:

 (5) где – характеристическая функция-24 (5)


Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.