Методы повышения точности обработки информации в локационных информационно-измерительных системах : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук : 05.13.01

Локационные информационно-измерительные системы (ЛИИС) находят широкое применение в промышленности, например, в датчиках измерения расхода жидкостей и газов в трубопроводах (расходометрии), в датчиках измерения уровня жидкости в баках (уровнеметрии), при контроле дыхания человека и др. Для получения информации в ЛИИС, как правило, используют волны различной физической природы (акустические, электромагнитные, оптические) с различными параметрами, в том числе, с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ).
При использовании ЛЧМ сигналов в ЛИИС для извлечения информации об исследуемом объекте анализируют т.н. сигнал биений, представляющий собой квадратуры низкочастотной составляющей результата перемножения излучаемой и принимаемой волн:
( ) = ( ) { ( ( ) + ( ))} + ( ) + ( ), (0.1)
где – информационный параметр (время между моментом излучения и приема волны,
прошедшей путь от точки излучения до контролируемого объекта и обратно, которая зависит от
расстояния до объекта и среды распространения, далее время задержки);
( ) – сигнал подлежащий обработке; ( ) – амплитуда сигнала с учетом паразитной
амплитудной модуляции (ПАМ) – мультипликативные помехи; ( ) – влияние паразитных
сигналов и помех – аддитивные помехи; ( ) – аддитивный белый Гауссов шум;
( ) = 2 ∆ ⁄ – частота сигнала; ( ) ≅ 2 – начальная фаза сигнала; – начальная 00
частота; ∆ – девиация частоты; – период модуляции.
Из (0.1) видно, что задача обработка первичной информации в ЛИИС с ЛЧМ сводится к определению времени задержки ( ) по измеренным значениям сигнала ( ), представляющего собой амплитудно-модулированную суперпозицию полезного сигнала и сигналоподобных помеховых составляющих и шумов, энергия которых оказывается меньше энергии полезного сигнала. Также следует отметить, что на практике требуется обеспечить измерения с точностью до сотых долей процента.
Степень разработанности темы
Методы обработки сигнала (0.1) в ЛИИС и их применение исследовались в работах как зарубежных, так и отечественных ученых: D. Brumbi, G.L. Charvat, S.A.Tretter, S. Kay, M. Fitz, P. Stoica, S.L. Marple, А.А. Харкевич, А.С. Виницкий, И.В. Комаров, С.М. Смольский, В.В. Езерский, В.С. Паршина, В.Я. Носкова, А.А. Калмыков и др.
В работах упомянутых выше и других ученых, для измерения времен задержки и соответствующих им параметров были разработаны методы и соответствующие им алгоритмы, основанные на оценке частоты сигналов ( ) в спектральной области, а также методы
6
основанные на измерении начальной фазы ( ). Также известны методы оценки начальной фазы и частоты сигналов, основанные на аппроксимации зависимостей аргументов комплексной функции сигнала (полной фазы сигнала) от времени, которые имеют низкую вычислительную сложность и соответственно низкие требования к оперативной памяти вычислителя и обеспечивают получение статистически состоятельных оценок параметров сигнала ( ). Однако, данные методы оказываются работоспособными только для смеси гармонического сигнала и аддитивного белого гауссового шума. При наличии в сигнале мультипликативных и аддитивных сигналоподобных помех данные методы не могут обеспечить требуемой точности измерения времени задержки . Такимобразом, разработка методов и алгоритмов, обеспечивающих требуемую точность измерения параметров информационных сигналов в ЛИИС с ЛЧМ, является актуальной. Потенциально решить данную задачу можно если разработать методы оценки времен задержки, основанные на совместном использовании информации о начальной фазе и частоте, оцениваемой по зависимости мгновенной фазы сигнала ( ) от времени.
Цель работы состоит в обосновании и исследовании методов обработки сигналов ЛИИС с ЛЧМ, представляющих смесь информационного сигнала и мультипликативных, аддитивных сигналоподобных помех и шумов.
Для достижения указанной цели были решены следующие задачи:
1. Анализ современного состояния и методов обработки сигналов биений в ЛИИС с ЛЧМ.
2. Разработка и исследование метода измерения разностей времен задержки между информационными сигналами в ЛИИС с ЛЧМ, основанного на совместном использовании значений частоты и начальной фазы произведения сигналов биений.
3. Разработка и исследование метода измерения времени задержки между моментом излучения и приема информационных сигналов ЛИИС с ЛЧМ, основанного на анализе зависимости фазы автокорреляционной функции сигнала биений от времени.
4. Разработка вычислительных алгоритмов, реализующих предложенные методы.
5. Экспериментальная проверка разработанных алгоритмов и исследование особенностей их применения в задачах ультразвуковой расходометрии.
Объект исследования – Локационные информационно-измерительные системы с линейно-частотно модулированными сигналами.
Предмет исследования – методы и алгоритмы обработки информации, используемые в локационных информационно-измерительных системах с линейно-частотно модулированными сигналами.
Методология и методы исследования. В процессе выполнения работы были использованы: компьютерное моделирование; цифровая обработка сигналов; теория

7
статистических оценок; численные методы; линейная алгебра; методы экспериментального исследования сигналов.
Положения, выносимые на защиту:
1. Предложенный метод измерения разности времен задержки информационных сигналов в ЛИИС с ЛЧМ, основанный на аппроксимации зависимости фазы сигналов биений ( ) от времени взвешенным методом наименьших квадратов, обеспечивает асимптотически эффективную оценку со случайным разбросом и смещением в несколько раз ниже, в сравнении с методами, основанными на раздельном использовании значений начальной фазы и частоте сигнала биений ( ).
2. Вычислительная сложность алгоритма, реализующего предложенный метод измерения времени задержки информационного сигнала в ЛИИС с ЛЧМ более чем на два порядка ниже, чем вычислительной сложности традиционно используемых алгоритмов при одинаковых требованиях к точности.
3. Алгоритм вычисления разности времен задержки информационных сигналов ЛИИС с ЛЧМ, разработанный в соответствии с предложенным методом по п. 1, обеспечивает однозначное измерение значений разностей времен задержки за пределами диапазона однозначного определения значений начальной фазы сигналов биений.
Научная новизна результатов заключается в следующем:
1. Разработан научно обоснованный метод обработки информационных сигналов в ЛИИС с ЛЧМ для измерения разности времен задержки, основанный на использовании аппроксимации зависимости фазы сигналов биений от времени с помощью взвешенного метода наименьших квадратов.
2. Разработан научно обоснованный метод обработки информационных сигналов в ЛИИС с ЛЧМ для измерения времени задержки, основанный на использовании аппроксимации зависимости фазы автокорреляционной функции сигналов биений от времени с помощью взвешенного метода наименьших квадратов.
3. Разработаны вычислительные алгоритмы измерения времен задержки и разностей времен задержки информационных сигналов ЛИИС с ЛЧМ.
Теоретическая значимость работы заключается в обосновании новых методов и реализующих их алгоритмов обработки информационных сигналов в ЛИИС с ЛЧМ.
Практическая значимость работы состоит в том, что разработанные методы позволяют повысить точность обработки информации в ЛИИС с ЛЧМ, созданные программные реализации разработанных вычислительных алгоритмов ориентированы на использование в современных микроконтроллерах.

8
Достоверность защищаемых положений и результатов обеспечивается непротиворечивостью выводов теории обработки локационных сигналов и результатам, полученным упомянутыми выше авторами; качественным и количественным соответствием теоретических выводов данным, полученным экспериментально, использованием аттестованной измерительной аппаратуры и подтверждается успешным практическим использованием в реализованных устройствах и системах. Полученные результаты теоретического анализа проверялись на сходимость с результатами предшествующих исследований. Дополнительно достоверность основных результатов работы аргументируется их апробацией на конференциях, а также публикациями в рецензируемых журналах.
Апробация результатов. Основные научные и практические результаты по теме диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях: Crimean Conference «Microwave & Telecommunication Technology» 2014, 2015 и 2016; 2nd International Workshop on Radio Electronics & Information Technologies (REIT 2 2017), 2017; IEEE 2018 Ural Symposium on Biomedical Engineering, Radio Electronics and Information Technology (USBEREIT 2018); Workshop on Radio Electronics & Information Technologies (REIT 4 2018), 2018; 4-th International Conference on Analysis and Applied Mathematics (ICNAAM 2018); IEEE 2019 Ural Symposium on Biomedical Engineering, Radio Electronics and Information Technology (USBEREIT 2019).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 работ, в том числе: 12 работ опубликовано в журналах, входящих в перечень ВАК, 10 из которых проиндексированы международной базой цитирования Scopus; получено три патента РФ на изобретение и один на полезную модель.
Внедрение научных результатов. Результаты научных исследований использованы в ООО «Институт информационных датчиков и технологий» (г. Екатеринбург, акт об использовании результатов от 27.01.2020); АО «Научно-производственный комплекс «ВИП» (г. Екатеринбург, акт об использовании результатов от 21.11.2019), АО «НПО автоматики имени академика Н.А. Семихатова» (акт о внедрение No 10.107 от 05.02.20, г. Екатеринбург); а также в учебном процессе Департамента радиоэлектроники и связи Института радиоэлектроники и информационных технологий-РТФ ФГАОУ ВО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина» (акт об использовании результатов от 03.02.2020).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, перечня основных сокращений, списка условных обозначений, перечня основных терминов и определений, списка литературы из 112 наименований, 4 приложений, содержит 34 рисунка и 6 таблиц. Основной текст составляет работы составляет 119 страниц, общий объем – 127 страницы.