Восстановление информационных сигналов в задачах контроля состояния протяженных объектов

• Автор: Кузьмин, Сергей Викторович
• Шифр специальности: 05.12.13
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Самара
• Количество страниц: 136 с. : ил.

Оглавление
Введение
Г лава 1. Обзор существующих методов решения поставленных задач
1.1 Описание устройства контроля параметров железнодорожного рельса
1.2 Обзор методов привязки измерений к единой системе координат
1.3 Обзор методов борьбы с помехами и восстановления сигналов
1.4 Обзор методов оценки сдвига в одномерных и двумерных сигналах
Глава 2. Подавление помех и восстановление информационного сигнала
2.1 Разработка модели канала
2.2 Разработка алгоритмов подавления помех и восстановления информационного сигнала
2.3 Отработка алгоритмов на тестовых данных
2.4 Оценка погрешностей измерения расстояния до неоднородности
Выводы по главе
Глава 3. Совмещение сигналов
3.1 Построение модели задержек
3.2 Оценка локальных задержек между информационными сигналами
3.3 Передискретизация сигналов для приведения к единой системе координат
3.4 Отработка методики совмещения на тестовых сигналах
Выводы по главе
Глава 4. Экспериментальная проверка разработанных методик и алгоритмов
4.1 Обоснование необходимости использования опорных сигналов
4.2 Особенности внедрения разработанных алгоритмов и методик
4.3 Экспериментальная проверка разработанных методик и алгоритмов... 98 Выводы по главе
Заключение
Список используемой литературы
ПРИЛОЖЕНИЕ А - АКТ ВНЕДРЕНИЯ С ПРЕДПРИЯТИЯ
ПРИЛОЖЕНИЕ Б - КОД ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ

Введение
Актуальность темы
В системах комплексного мониторинга инфраструктуры протяженных объектов контроля существует задача восстановления передаваемых информационных сигналов, пораженных помехами, порожденными неоднородностью структуры объекта контроля, и проблема совмещения зарегистрированных сигналов (т.е. приведения сигналов к единой системе координат) для их последующей совместной обработки. Совмещение зарегистрированных сигналов, содержащих информацию о параметрах объектов большой протяженности, подразумевает не только устранение средней задержки между сигналами, но и компенсацию флуктуирующих погрешностей в шагах дискретизации этих сигналов, что накладывает дополнительные требования на качество сигналов. Таким образом, обеспечение точного и помехоустойчивого совмещения данных невозможно без подавления помех сложного вида, возникающих в канале передачи информационных сигналов.
Особенно остро эти проблемы стоят при совмещении данных контроля объектов железнодорожной инфраструктуры. Совместный анализ нескольких разнесенных во времени сигналов позволяет решать широкий спектр технических задач, не решаемых при анализе однократных наблюдений (например, поиск неоднородностей, представляющих опасность для контролируемой инфраструктуры, мониторинг развития этих неоднородностей во времени). Подобные системы в области контроля параметров объектов железнодорожной инфраструктуры разрабатываются в ЗАО НПЦ ИНФОТРАНС (С.В. Архангельский, О.Б. Симаков) [1], ОАО «Радиоавионика» (Т.Н. Бершадская) [2], ГК «ТВЕМА» (М.В. Тарабрин) [3]. За рубежом внедрены системы ENSCO (США) [4], IRISSys (Германия) [5], IFS (Швеция) [6], PATER (Венгрия) [7], ECOTRACK (Голландия) [8], RAMSys (Италия) [9] и др. Задачи восстановления информационных

сигналов в условиях воздействия помех и приведения сигналов к единой системе координат на данный момент в полной мере не решены.
Регистрируемый сигнал, поражен различными видами помех, в том числе квазистационарными помехами [10], вызванными неоднородностями самого объекта контроля. Структура контролируемого объекта не является строго однородной и при воздействии зондирующего импульса порождает помимо информационного сигнала квазистационарную помеху. Подобная помеха зависит от особенностей производства конкретного объекта, степени и характера его износа.
Классические оптимальные методы приема сообщений ориентированы, прежде всего, на подавление гауссовых помех [11]. В исследуемом канале передачи сигнала о параметрах контролируемого объекта помеха представляет собой смесь помех различных видов, при этом смоделировать отдельные компоненты результирующей помехи не представляется возможным. Классические линейные методы недостаточно эффективны при восстановлении сигнала в условиях воздействия данного вида помех.
Фундаментальная теоретическая база методов приема сигналов в условиях сложных негауссовых помех изложена в работах P.JI. Стратоновича [12] и Т. Кайлата [13]. Общие принципы этих методов и их модификации впоследствии были рвзвиты в трудах Л.N4. Финка, В.Р. Левина, H.H. Шагхильдяна, Д.Д. Кловского, О.В. Горячкина, Ю.С. Шинакова, А.П. Трифонова, С.Е. Фальковича, В.Г. Репина, Т.П. Тартаковского, В.И. Коржика, В.А. Сойфера, И.А. Цикина, А.И. Фалько, Б.И. Николаева, В.Г. Карташевского, С.М. Широкова и других. Данные методы используют общие модели каналов и сигналов. Предложенные в данной работе алгоритмы оптимизированы с учетом особенностей информационного сигнала, канала передачи и воздействующей помехи и обеспечивают наиболее устойчивое и точное восстановление сигнала для последующей операции совмещения зарегистрированных сигналов.

Логнормальное распределение имеют случайные величины, логарифмы которых имеют нормальное распределение. Плотность логнормального распределения, а также его математическое ожидание и дисперсия описываются двумя параметрами р и о (где о > 0)
L_e-(lnx-n)2/2a2 > о
xcjVztt '
0, х <
mL =2, о = (ест2 - 1)е2+а2.
Распределения Рэлея (Rayleigh distribution, в некоторой литературе «распределение Релея» [70]) используется для описания амплитудных флуктуаций радиосигнала, т.е. для описаний эффектов распространений сигналов в радиоканалах [69-70]. Плотность распределения Рэлея, а также его математическое ожидание и дисперсия описываются единственным параметром а (где о > 0)
Р«Ы = е~'Х-(2.3)
I 0, х <

mR = а,
Gr = (2 - О2.
Для выбора вида распределения, наилучшим образом, описывающего экспериментально полученную гистограмму помехи, воспользуемся критерием согласия хи-квадрат [71], который позволяет оценивать сходство распределения анализируемой случайной величины с ожидаемой функцией плотности распределения вероятностей. В качестве ожидаемых функций рассмотрим распределения Рэлея, Эрланга и логнормальное (рис. 2.3), для оценки критерия согласия построим гистограммы, содержащие
РьО)