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

В самых различных отраслях промышленности в технологических и коммерческих целях требуется производить оперативное дистанционное бесконтактное измерение уровня заполнения различных резервуаров сыпучими, пастообразными или жидкими веществами. В этих задачах речь идёт об измерении малых и сверхмалых расстояний (от 0,5 м до 50 м). Причём в этих резервуарах обычно в рабочем режиме наблюдается сильная запылённость или повышенная влажность, сопровождающаяся туманом и выпадением росы, а также могут быть повышенное давление и температура. В ряде случаев внутри резервуара имеются различные технологические конструкции, затрудняющие проведение измерений.

Последние три десятилетия для этих целей широко используются радиоволновые уровнемеры, построенные на основе СВЧ дальномера с частотно модулированным (ЧМ) сигналом [1,2]. Существует много вариантов построения таких приборов, отличающихся способом решения задач обеспечения требуемых характеристик уровнемера [3].

Теоретические основы частотного дальномера (ЧД) разрабатывались с момента появления первого частотного дальномера в 20-х годах прошлого столетия [4] и до конца 60-х годов. Наиболее значимыми работами здесь являются [5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16]. В этот период рассматривалось в основном применение ЧМ радиолокаторов в военных целях. В конце 60-х — начале 70-х годов четко обозначилась новая область применения ЧМ дальномеров для измерения малых и сверхмалых расстояний в промышленности (измерение уровня заполнения технологических резервуаров). При этом важным являлось получение высокой точности измерения, намного меньше величины ошибки дискретности (ОД), присущей ЧМ дальномерам [6], и ослабление влияния различных дестабилизирующих факторов. Появилось множество работ, решающих эти частные задачи различными методами. Отметим работы, определяющие направления развития и формулирующие основные методы достижения нужных результатов. Это работы [17, 18, 19, 20, 21] с весовым усреднением разностной частоты (ВУРЧ) [22, 23], использующие дополнительную фазовую модуляцию 4M сигнала [24, 25], предлагающие эталонный канал на основе линии задержки [26, 27, 28, 29], использующие измерение нелинейности модуляционной характеристики (MX) передатчика и её компенсацию на основе режима ступенчатой частотной модуляции [29, 30], посвященные цифровому синтезу частоты передатчика [28, 31, 32, 33, 34, 35], учитывающие особенности работы в условиях мешающих отражений.

В последние годы появились обобщающие работы [36, 37, 38], в которых производится систематизация накопленных научных и практических результатов. Появился учебник [39], в котором на хорошем уровне, но лаконично изложены основы 4M дальнометрии.

Среди отечественных ученых и практических специалистов, внесших существенный вклад в развитие теории и практического применения, можно выделить Виницкого A.C., Атаянца Б. А., Кагаленко Б. В., Мещерякова В. П., Гизатулина P.A., Дзилиева А. П., Хасянова А. Ф. Либермана С.А., Комарова И. В., Смольского С. М., Езерского В. В., Паршина B.C. и Давыдочкина В.М.

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

Множество практических задач с широкими требованиями по точности измерения расстояния и экономичности используемых приборов привело к ситуации, когда приходится совмещать различные варианты применяемых методов обработки сигнала со сложностью их конструктивно технологической реализации [40]. Существуют две крайние позиции: необходимы прецизионные приборы с очень высокой стоимостью и приборы низкой точности и малой стоимости. Во многих случаях желательно совместить достаточно высокую точность измерения с умеренной стоимостью. В этом смысле целесообразно использовать метод ВУРЧ, предложенный в работе [17], технически развитый в [18, 19, 20, 21] и проанализированный в работах Езерского В.В.

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

Цель и задачи диссертации

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

Достижение поставленной цели требует решить следующие основные задачи для метода ВУРЧ:

— провести анализ погрешности измерения расстояния при различных видах ВФ;

— разработать методику оценки влияния помех на алгоритмы обработки сигнала;

— разработать алгоритмы минимизации погрешности измерения расстояния;

— разработать алгоритмы учёта и компенсации нелинейности модуляционной характеристики передатчика;

— оценить возможности практической реализации разработанных методик и алгоритмов.

Методы исследования

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

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

Основные положения, выносимые на защиту

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

2. Алгоритмы оптимизации параметров формы весовой функции по критерию минимума усреднённой погрешности измерения и оптимизации параметров частотной модуляции по критерию минимума мгновенной погрешности измерения при весовом усреднении разностной частоты, основанные на полученных выражениях для методической погрешности измерения расстояния, обеспечивающие выигрыш по погрешности измерения расстояния от 2−3 до нескольких десятков раз в зависимости от величины этого расстояния, вида весовой функции и используемого параметра оптимизации.

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

Научная новизна полученных результатов

В рамках данной диссертационной работы получены следующие новые научные результаты.

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

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

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

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

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

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

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

Практическая значимость и внедрение результатов работы

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

Даны рекомендации по уровню помех и шумов, требуемому для достижения значимых для практики уровней погрешности измерения.

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

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

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

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

Результаты, полученные автором, внедрены:

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

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

На приборы разработаны ТУ и комплекты конструкторской документации, получены сертификаты соответствия в НАНИО «Центр по сертификации взрывоза-щищённого и рудничного оборудования» и разрешения на применение на поднадзорных Госгортехнадзору России производствах и объектах. Приборы востребованы промышленностью и награждены дипломами международных промышленных выставок.

Апробация работы

Основные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

• III, V, VI и X Международной НТК «Цифровая обработка сигналов и её применение» (Москва, 2000, 2003, 2005 и 2008);

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

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

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

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

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

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

Публикации

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

Структура и объём работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, библиографии из 97 наименований и 5 приложений. Содержание работы изложено на 120 страницах основного текста, дополненных 90 иллюстрациями на 54 страницах, 10 страницами библиографии и 14 страницами приложений.