Алгоритмы оценки частоты сигнала биений на основе методов параметрического спектрального анализа для дальномеров с частотной модуляцией зондирующего сигнала

• Автор: Багдагюлян, Александр Альбертович
• Шифр специальности: 05.12.04, 05.12.14
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Рязань
• Количество страниц: 191 с. : ил.

ВВЕДЕНИЕ.
1 ОСОБЕННОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ ДАЛЬНОСТИ ДО УРОВНЯ МАТЕРИАЛА В ЗАМКНУТОМ РЕЗЕРВУАРЕ РАДИОДАЛЬНОМЕРОМ

С ЧАСТОТНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ ЗОНДИРУЮЩЕГО СИГНАЛА

1.1 Вводные замечания.

1.2 Постановка задачи измерения дальности с помощью радиодальномера

с частотной модуляцией зондирующего сигнала

1.3 Модель сигнала биений радиодальномера с частотной модуляцией зондирующего сигнала .

1.3.1 Модель сигнала биений при отсутствии мешающих отражений

1.3.2 Модель сигнала биений при наличии паразитной амплитудной модуляции, нелинейности модуляционной характеристики и фазовых шумов .

1.3.3 Модель сигнала биений при наличии мешающих отражений .

1.4 Спектр сигнала биений

1.5 Анализ помеховой обстановки характерной при измерении дальности
до уровня материала в замкнутом резервуаре .
1.6 Выводы
2 РАЗРАБОТКА И АНАЛИЗ АЛГОРИТМОВ ИЗМЕРНИЯ ЧАСТОТЫ, ИСПОЛЬЗУЮЩИХ СПЕКТР В БАЗИСЕ ФУРЬЕ ПРИ ОТСУТСТВИИ МЕШАЮЩИХ ОТРАЖЕНИЙ
2.1 Вводные замечания
2.2 Оценки максимального правдоподобия частоты сигнала биений во временной области.
2.3 Оценки максимального правдоподобия частоты сигнала биений в спектральной области
2.4 Анализ влияния нестабильности параметров радиодальномера на точность измерения частоты с помощью алгоритма, реализующего метод максимального правдоподобия
2.5 Алгоритм измерения частоты, использующий для обработки сигнал биений на двух полупериодах модуляции частоты
2.6 Анализ алгоритмов измерения частоты, использующих спектр в базисе Фурье
2.7 Выводы.
3 ИЗМЕРЕНИЕ ЧАСТОТЫ СИГНАЛА БИЕНИЙ ПРИ НАЛИЧИИ МЕШАЮЩИХ ОТРАЖЕНИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДОВ ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА.
3.1 Вводные замечания
3.2 Алгоритм измерения частоты сигнала биений на основе метода наименьших квадратов Прони.
3.2.1 Классический метод Прони
3.2.2 Метод наименьших квадратов Прони.
3.2.3 Вычислительная реализация метода наименьших квадратов
3.2.4 Процедуры, позволяющие исключить аномальные ошибки измерения, возникающие при измерении частоты с помощью алгоритма
на основе метода наименьших квадратов Прони .
3.2.5 Алгоритм оценки частоты, использующий спектр в базисе Фурье с процедурой поиска спектрального пика, соответствующего отражениям
от уровня материала при наличии мешающих отражений.
3.2.6 Процедура поиска спектрального пика, соответствующего отражениям от уровня материала, в спектре, получаемом методом наименьших квадратов Прони при наличии мешающих отражений
3.3 Алгоритм измерения частоты сигнала биений на основе
модифицированного метода наименьших квадратов Прони, использующего итерационный метод ШтейглицаМакБрайда.
3.3.1 Модифицированный метод наименьших квадратов Прони
3.3.2 Процедура поиска спектрального пика, соответствующего
отражениям от уровня материала, при наличии мешающих отражений
3.4 Алгоритм измерения частоты сигнала биений на основе метода спектрального оценивания, использующего итерационный метод
Штейглица МакБрайда
3.4.1 Спектральное оценивание с использованием итерационного метода Штейглица МакБрайда.
3.4.2 Процедура поиска спектрального пика, соответствующего
отражениям от уровня материала в спектре, полученном методом
спектрального оценивания, использующим итерационный метод
ШтейглицаМакБрайда
3.5 Алгоритм измерения частоты сигнала биений на основе метода оценивания частоты в подпространстве шума, основанного на анализе собственных значений автокорреляционной матрицы метод ЕУ.
3.5.1 Вычислительная реализация метода ЕУ ЮЗ
3.5.2 Процедура поиска спектрального пика, соответствующего отражениям от уровня материала, при наличии мешающих отражений
3.6 Выводы
4 РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ .
4.1 Вводные замечания.
4.2 Условия проведения моделирования
4.3 Результаты моделирования для алгоритма измерения сигнала биений частоты на основе метода наименьших квадратов Прони.
4.3.1 Результаты моделирования при отсутствии мешающих
отражений
4.3.2 Результаты моделирования при наличии мешающих отражений
4.4 Результаты моделирования для алгоритма измерения частоты сигнала биений на основе модифицированного метода наименьших квадратов Прони, использующего итерационный метод ШтейглицаМакБрайда
4.4.1 Результаты моделирования при отсутствии мешающих
отражений.
4.4.2 Результаты моделирования при наличии мешающих отражений
4.5 Результаты моделирования для алгоритма измерения частоты сигнала биений на основе итерационного метода ШтейглицаМакБрайда.
4.5.1 Результаты моделирования при отсутствии мешающих
отражений
4.5.2 Результаты моделирования при наличии мешающих отражений
4.6 Результаты моделирования для алгоритма измерения частоты сигнала биений на основе метода V
4.6.1 Результаты моделирования при отсутствии мешающих
отражений.
4.6.2 Результаты моделирования при наличии мешающих
отражений.
4.7 Анализ устойчивости спектральных оценок.
4.8 Результаты натурных экспериментальных исследований, полученные
на экспериментальных стендах
4.8.1 Программное обеспечение, используемое для получения экспериментальных измерений.
4.8.2 Результаты эксперимента, полученные на экспериментальном стенде в свободном пространстве.
4.8.3 Результаты эксперимента, полученные на волноводном экспериментальном стенде
4.9 Результаты эксперимента, полученные при опытной эксплуатации радиодальномера в промышленных условиях на резервуаре с дизельным топливом.
4. Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ


Как уже отмечалось выше, измерение дальности приходится производить при наличии МО, в том числе и превышающих полезный сигнал по интенсивности. Для того, чтобы осуществлять измерение дальности в сложной помеховой обстановке, обусловленной наличием МО, необходимо в начале произвести поиск спектрального пика, соответствующего отражениям от контролируемой поверхности, среди других спектральных пиков отраженных сигналов. Однако, как известно, МО имеют сигналоподобную структуру, что существенно усложняет процедуру идентификации среди них отражений от контролируемой поверхности. В спектре, получаемом с помощью ПСА, помимо МО могут присутствовать и ЛСП, которые в ряде случаев могут превышать по интенсивности спектральный пик полезного сигнала . Поэтому требуется разработать алгоритмы, которые позволили бы производить поиск спектрального пика, соответствующего отражениям от уровня материала в сложной помеховой обстановке. Для этого необходимо провести подробный анализ видов МО, их свойств, а так же характера их поведения при перемещении положения контролируемой поверхности уровня материала, то есть во время наполнения или слива резервуара. Это выполнено путем анализа выражения для СБ, который учитывает перечисленные виды МО и механизм их взаимодействия при изменении уровня зондируемой поверхности. Еще одним фактором, ограничивающим точность измерения дальности в РДЧМ, является наличие характерных для них искажений ПАМ, нелинейной зависимости частоты передатчика от времени и фазового шума. Рассмотрим коротко принцип измерения дальности с помощью радиоволнового дальномера с непрерывным частотно модулированным излучением , , , . Блоксхема простейшего РДЧМ при использовании симметричного пилообразного закона модуляции частоты представлена на рисунке 1. Прямой сигнал передатчика передается в приемник, а отраженный от уровня сигнал поступает на вход смесителя приемника через приемную антенну. Рисунок 1. Поскольку в системах с непрерывным излучением прямой и отраженные сигналы все время подводятся к приемному устройству, измерение расстояния может быть сведено к измерению разности мгновенных частот между излученными и отраженными колебаниями в один и тот же момент времени. Мгновенная частота огибающей биений равна абсолютному значению разности мгновенных частот прямого и отраженного сигналов. На рисунке 1. При этом полагается, что время запаздывания отраженного сигнала много меньше периода модуляции тТм. Линии законов изменения частоты сдвинуты на время запаздывания сигнала хм. На рисунке 1. Из графика видно, что частота биений в основном остается постоянной, за исключением небольших интервалов времени, на границах которых разность скоростей изменения частоты колебаний передатчика и отраженного сигнала меняет знак. Эти интервалы времени называют зонами обращения . В средних точках этих зон частота биений сигнала проходит через ноль. Влияние зон обращения тем меньше, чем лучше выполняется неравенство тТм. На рисунке 1. СБ. В РДЧМ частота СБ ор, снимаемого со смесителя приемника, для закона модуляции, приведенного на рисунке 1. Т 4сдгсТ гбкТ, 1. Т ТМ2, Тм период модуляции частоты сигнала тмвремя задержки отраженного сигнала от уровня материала с скорость света, 8к с4од ошибка дискретности . Отметим, что в дальнейшем будем оперировать тремя параметрами разностной частотой СБ сор временем задержки ги, дальностью г. Как уже отмечалось, при измерении дальности до уровня материала в резервуаре могут иметь место МО. Виртуальным принято называть мешающие отражатели, которые присутствуют по тем или иным причинам в сигнале, полученном на выходе смесителя приемника дальномера СБ, но при этом физически они отсутствуют ,. Для описания свойств перечисленных видов МО, причин их появления, а так же характера их поведения при изменении положения уровня материала необходимо провести анализ модели СБ, учитывающей наличие МО. Т, 0Г 7 1. Получив выражение для полной фазы, запишем выражение для напряжения гетеродина передатчика
где и амплитуда напряжения гетеродина. ФЧХ приемного тракта РДЧМ.