автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Информационно-измерительные системы для исследования нерегулярных быстропротекающих процессов с визуализацией промежуточных результатов

"аюзэт

Ленинградский ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции электротехнический институт им. В.И.Ульянова (Ленина)

На правах рукописи

Казимяяец Валентин Николаевич

ШФОШАЦЙОНЮ-ИЗМЕРШМЬНЬЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ НЕРЕГУЛЯРНЫХ БЫСТРОПРОТЕКАСЩИХ ПРОЦЕССОВ С ВИЗУАЛИЗАЦИЕЙ ПРОШУТОЧНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ

Специальность: 05.11.16 - Информационно-измерительные

системы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Ленинград - 1930

Работа выполнена в Вильнюсском научно-исследовательском институте радиоизмерительных приборов.

Официальные оппоненты: доктор технических наук профессор Телькснис А.-Л.А., доктор технических наук профессор Уточкин Б.А., доктор технических наук профессор Цветков Э.И.

Ведущее предприятие - научно-производственное объединение "Вектор".

Защита диссертации состоится ПЛ6 " о»19У/ г. в "час. на заседании специализированного совета Д 063.36.02 Ленинградского ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции электротехнического института им. В.И.Ульянова (Ленина) по адресу 197022, г.Ленинград, ул.Проф.Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан " я^ь'ягя 19?/ г.

Ученый секретарь специализированного совета

АЗБЕЛЕВ П.П.

-ртгций

ОЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Актуальность темы. Современные исследования в таких ведулрас областях науки и техники, как физика высоких энергий, геофизика, лазерная и вычислительная техника, ядерная энергетика иувдаатся в качественно новых методах и средствах автоматиз$фованного анализа нерегулярных процессов длительностью 1<Г® - Ю"1® сек. Изучение данной проблемы показывает, что одним из перспективных направлений ее решения является создание особого ик$ормацисшого инструмента, обеспечивавшего активное участие человека в подготовке измерительных процедур на основе визуального изучения экспериментальных данных, предегавимых как в воде отдельно взятых реализаций, так и в веде их совокупностей. Такая постановка вызывав? необходимость разработки аппаратно-программных средств фориирсза-ния, преобразования и анализа згафориацисгашх образов быстрсцроте-канцих процессов различной степени слозностк. Особенность проблемы заключается в той, что в указанном диапазоне, по существу, отсутствуют методы, которые могли бы обеспечить подобный вад исследования. Исклзченке составляют лкш» осциллографические метода, однако их информационные возысзкости в настоящее время ограинче-ны частотным диапазоном 5-7 ГГц, визуализацией одного-дзух сша-лов, а такае простейшими водами кзмерекия.

В связи с вышесказанный решение проблемы водится в создании широкополосных информационно-измерительных систем (ИлС) с визуализацией промевуточных результатов, обеспечивающих существенное расширение возмоаностей сбора-и преобразования дэнных в направлении формирования, модификации и азтоматшзировышото анализа изображений под контролем и при непосредственном участка человека.

Особенно перспективной представляется разработка проблешо-ориентировадаых систем с ориентацией на определенные объекты исследования: сигналы, шумы, а такке сигналы в шумах.

Проблематика проектирования таких ИИС во многом определяется условиями измерительного эксперимента, в котором, как правило, имеется источник кратковременного излучения определенной физической природы, среда, через котор;,э это излучение распрострзгшатсяг а таете приемник, регистрирующий и обрабатывает^ кнфорящш.

С точки зрения приема на решешгз измерительных задач в указанном диапазоне особый отпечаток накладызавт:

- крайне шд&я дшглелькость иссладуегдк процессов, вследствие чего возникает необходимость разработки быстродействувцей регистрирующей аппаратура;

- энаадявдьное удаление последней от источника излучения, из-за чего передача кн^оршцш содрововдается болышш потерями за счет влшшш Бозадагщнх факторов, присущих среде распространения;

- сяэцфща преобразования црйсшашого излучения в электри-чэмшй сигнал, а затаи в цифровой коя с информационными искаае-ккяш, обусло&зажссш насоварсзкствоа изтрологкчаскнх характеристик щяоб$аэушя1?1Х и рогнстрярзвз^к устройств: полосы пропускания, •точное?», чувствительности, разрззказцей способности и т.д.;

- слоаюсть ф^рогой обработки сигналов, которая домна обес-шчшмш» шейочеша, ■ щзрегщаэ к преобразование полезной инфор-12щил, в еои числа шогошркой, с представлением ее в виде, удобном для визуального акаиза, е газкю «щтогжЕкзировшшых и иаркер-шх иэдоредой.-

Проведенные ксследоаакш воказшюзот, что ШС доланы быть оршктярошнн ва рсошшо сладузкрх измерительных и информацион-5Ш аадаз:

- врагля-адлготшдй анализ одиночных реализацй! сигнала, шуш ы сигнала с цудои,

- ¡шхшевиа и сттасгизшекий иыиз совокупностей реализаций ¡этих процзсзаз,

- ексшртннй и графнчаскЕй сета изображений процессов, а тказ их отдая&кш: рзшшгадзй,

- вдеюжфикациа случайшя: явлений с целью определения их природы и шявланкя заргтеркшс закономорвостей и другие.

Прабдекатдаа 1МЗ в части регистрации связана с созданием одно и многоканальной широкополосной аппаратура, обладающей возмоенос-шт преобразования нерегулярна сигналов в цифровой код, а такае ик накопления и визуализации; в гасти функционального преобразования и измерения - с разработкой программного обеспечения (ПО) управления, накопления» цифровой и гргфотеской обработки.

Известка, чао для аототтазированкого измерения параметров одиночные и редкоповторящихся сигналов в настоящее время используются осцшиюграфическке приборы типа С1, С7 и 09, а для опрздадекЕя здарактермстик случайных процессов - приборы типа У£>.

Аппаратуры, совмещающей оба вида анализа, сегодня не сугцествует. Более того, оказывается, что как по метрологическим характеристикам (частотному диапазону, погрешности измерения), так и по функциональным возможностям (ориентация на узкий класс процессов) вторая группа приборо» вообще не годится для реивния перечисленных задач. В этой связи возникает необходимость создания таких аппаратно-игрограюаых методов, которые кэ только бы объединяли возможности ссцшиюграфичесних методов измерения и методов анализа случайных процессов* но а существенно продвигали бы их вперед в части регистрации, управления, отображения и измерения.

Аппаратура, реализупцая в указанном диапазоне подобные методы, в настоящее время иозет быть создана ка основе широкополосных осцидлографическнх устройств, обеспзчкващих запоминание и визуализацию непозторящихся сигналов, средств вычислительной техники, обладавших способность!) накопления, оперативкой обработка и документирования, вспомогательных устройств (преобразователей входной информации, устройств сгапфокизации, интерфейсов и т.д.), а также развитого ПО.

Проектирование систем денного типа является слозной проблемой. Причина этого, помаю сказанного» кроется в отсутствии теоретического и программного заделов в тасти постановки и решения новых для измерительной техники инфорэцкенгагх задач, а такао в несовершенстве существующего набора ахтратно-програкакнх опвр%-. ций и процедур.

Актуальность исследований в области проектирования ЙИС рассматриваемого класса связана с необходимостью выполнения кенплэк-сной научно-техшкеской программы "Создание и производство виднейшее приборов для научных исследований", утворзденней ЦК КПСС и Советом Министров СССР.

Цель и задачи работы. Разработка теоретических и програшашх основ построения ИИС с визуализацией промежуточных результатов, предназначенных для шерофуккцконяльного исследования нерегулярных сигналов и процессов шшш-пикосекувдного дизлазит длетоль-ностей на основе осцшшографических методов измерений.

Для реализации цели диссертационной работы автором систематизированы потребности исследования бнетропротекзащих процессов. Поставлен, теоретически ойз^ен и ре?9Н комплекс задач структурного проектирования, математического медзлмровашш, цифровой и

графической обработки, а такав системного и прикладного программирования. Результаты работы представляют собой решение 1фушой научной проблемы, шеищей вакное народнохозяйственное значение и создаэт предпосылки комплексного решения задачи автоматизации высокочастотных измерений с существенным со!фащениеы аппаратурных затрат.

Развиваемые и диссертации положения ориентированы на реализации сгадуйщж: изфоргациониых и измерительных операций и процедур:

- кааопдгназ и первичная обработка данных в широком амплитудном и вреазшон диапазонах,

- восстановление фор^ш реализаций сигнала, шума и сигнала с шумом путей устранения искшезнкй, вносимых средой и аппаратурой,

- (^ркироваЕкэ, визуализация и анализ информационных образов, состоязцлх ш различного числа реализаций,

- наделение полезной информации, ее время-частотный, статистический и зкспоргшй анализ,

- измерение параметров сигналов и процессов, а также производных от вях еадкчш.

Мз числа перечисленных к особо значшш процедурам относятся:

~ измерение статических и данакических характеристик широкополосных МИС косвенным методами;

- определение гонкой структуры реализаций, информация о которой практически уив$&ж из-за искажений в передающей линии и аппаратура;

- регистрация сигналов, спектр которых шире полосы пропуска-юй приемной аипарагурк, с получением высокой точности изображения за счет цифровой обработки искакений,

- алализ шогоизрньас изобретений шукоподобных процессов.

Поскольку научная проблематика проектирования ШС рассматриваемого класса в значительной степени лежит в области программного преобразования шфорлации, ванное кесто в диссертации уделяется вопросам моделирования, диалогового управления, цифровой и графической обработки.

Научная новизна. Заключается в том, что в диссертации впервые поставлена задача разработки методов и средств комплексного анализа нерегулярных сигналов и процессов в милли-пикосекувдном диапазона на основе данных промежуточной визуализации, е>е особен-

костью является ориентация на осцидлографичесяие методы измерэ-ния, нетрадиционные классы объектов, в то и числе нестационарные, изображения различной структуры, а также слоеные ввды обработки. В этой свези в диссертации разработаны теоретические и программные основы построения широкополосных ИКС, обеспечизащих исследование туиоподобиых явлений, и определено их место среда систем анализа экспериментальных данных. Исходя из разновидностей объектов исследования: реализаций и их совокупностей, а такка технических показателей ИИС: канальности, особенностей регистрации, способов управления и отображения, водов обработки, а также других компонентоз, дана систематизация задач, решаемых ИИС и базирующихся на операциях регистрации, накопления, восстановления, обнаружения, идентификации и других. В обеспечение проектирования аппаратур данного класса разработаны методы математического моделирования измерительных и информационных задач, базируются на описании механизма преобразования информации в ИКС на принципах вероятностно-детерминированного задания входных воздействий, параметрического фср^шрования статических и динамических характеристик аппаратуры, прнчишо-слэдственнсй формализации их связей, постановки и анализа результатов имитационного эксперимента.

Для решения задач, связанных сснализом иэобрагешгЗ, создала эффективные методы и алгоритмы, отличающиеся использованием специальных критериев, нетрадиционных моделей, а танз® Ш5фора«ацкон-ных операций, и исследованы граница их применимости. Предложен программно-аналитический подход к оцэнье сушарной и частных погрешностей измерений, в основу которого полоаея принцип построена® и обмера зон доверительной вероятности функциональных волнчзн. Предложены способы структурной организации ИИС с возможностями гибкого управления на основе "интерфейса пользователя", многофункциональной перестраиваемой обработки, а также разнообразного представления информации; прошшшзирошшы результаты онсперкмеи-тов, полученные с помощьп разработанных ИИС и имеахцие ваиюе научное и практическое значение.

Методы исследований. В основу гроектирования ИИС полажен принцип сквозного математического ьхделироваккя объектов, средств и результатов измерений в сочетании с эксперимеотвльшлш исследованиями на макетах и образцах ИИС. Исследования б&зируптся на методах математической статиЬтшш и теории вероятностей, теории слу-

чайных функцай, теории к^эризцкя, а текла численных-ызтода решения нокоррек?но-поставл-з12йсс задел, матричном н спектральном анализе, Разработка осуществлялась" в'слецувцей последовательности: постановка и математическая формализация задач, конструирование и настройка моделей, создание методов, структурных схем и макетов, построение алгоритмов, оцзгяса погрешностей, создашь ПО, комплексная отладка и гкепэршежельная проверка.

Практическая ценность. Проведенные в работа исследования, предлс^ешлгз кетодч и адгорятш, а такае созданные подсистемы СШР позволили созвать теоретическую к практическуэ базу для проектирования ¡шогофу/шщокалькьк ИИС, ориентированных на исследование нерегулярных сигналов и процессов шлли-пикосекувдной дяитзльнсети е условиях неидеалыюй регистрации. Развитие теории осцидлогрйфичос5£кх измзргний дало возможность еффективно решить широка! класс прикладках задач, связанных с проведением геофизи-чзского, лазерного и термоядерного экспериментов, а также с проведением исследований на ускорителе элементарных частиц. С помочь® разработанных ШС получены ценные в практическом отношении результаты, относящиеся к прогнозирования землетрясений, воздействию атмосферы на оптические сигналы, влиянии лазерного излучения на полупроводниковые материалы, диагностике продольной структуры ускоряемое пучков и т.д. Результаты являются новыми для соответствующих областей науки и характеризуют высокую техническую и эко-номичеехую эффективность ИИС.

Ьолыяз® значимость шеат результаты диссертационной работы, обеспечивающие возмоаность существенного сокращения аппаратурных затрат путем оптимального использования средств вычислительной техники, программной оптимизация метрологических и информационных характеристик ШС, а такие с:.ого повышения производительности труда за счет автоматизация управления и измерения.

Ццеи и методы работы доведены до практической реализации, наДця свое отражение в структурных схемах ИИС, их технических характеристиках, принципах фушсцконироваиия, алгоритмах и Ш.

Полученные результаты проверены в различных организациях АН СССР, Минвуза, НС, МРИ, ШЯ и других министерств.

Материалы диссертации широко использовались автором при чтении лекций на ШК Каунасского политехнического института, а тенге на ведомственных курсах повышения квалификации.

Реализация результатов. Результаты диссертационной ргЛсты (теория, методы, структурные схе?ды, макеты, алгоритмы, ахтсрсхиэ свидетельства, расчеты, рекомендации, пакеты прикладных програ:«м) внедрены в 12 научно-исследовательских (НИР), 6 опыгно-конструк-торских (ОКР) работах, а также з 2 подсистемах САПР. Результаты использовались при разработке микропроцессорных осциллографов (группы Я, С7, С9), а тш®е легли в основу создания секи проблемно-ориентированных систем автоматизации научного эксперимента на базе ЭВМ тепа С1, КЕК, ДК* и других. Примером ИИС является одно- и многоканальные системы на базе серийных осциллографов С9-6 и С7-19. Приборы награздены Золотыми медакями ВДНХ и ш*еют Знак качества.

ШС внедрены в научно-исследовательском институт г; радиоизнори-тельных приборов (г.Вильнюс), институте атомной энергия им.И.В. Курчатова (г.Москва), физико-техническом институте им.А.Н.НсГйе (г.Ленинград), институте физики высоких энергий (г.Серпухов), .научно-исследовательском институте "Элеетронсггандарт* (г.Ленинград), на Вильгаосскоп заводе радкоизглерктояьных приборов, а также в других научно-исследовательских и производственных организациях страны.

Суммарный годовой зконогдачеекпй эффект от внедрения результатов диссертационной работы составляет 726 тес. руб.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы из 214 нсименоэений. Диссертация содержит 294 страницы иаиинописного текста, 92 рисунка и 12 таблиц. Последовательность изложения материала в диссертационной работе соответствует характеру используемой в ней кето-дики исследования.

Публикации. По теме диссертации опубликована монография, а также более 60 работ во всесоюзных и республиканских научно-технических журналах и сборниках, в том числе получены два автор сюос свидетельства на изобретения.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на 1-й» 3-3, 4-й, 5-й всесоюзных научно-технических конференциях (и.?.к.) по осциллогрвфическим методам измерений, г.Вильнюс, 1972, 1978,1982, 1986 гг. ; 6-м симпозиуме до проблеме избыточности в информационных системах, г.Ленинград, 1974 г. ; н.т.к. по информационный и измерительным устройствам в радиоэлектронике, г.Рига, 1974 г. ;

10-й и 12-й всесоюзных и.т.к. по высокоскоростной фотографии и -шгрологии быстропротекшщих процессов, г.Москва, 1981, 1985 г.; 4-й всесоюзной к.т.к. по проблемш метрологического обеспечения систем обработки измерительной информации, г.Москва, 1982 г.; 3-й всесоюзной н.т.к. по инхенеркнм проблемам в термоядерных реакторах, г.Ленинград, 1983 г.; 2-й всесоюзной школе-семинаре по пикосокувдкой технике, г.Ереван, 1938 г.; 3-й всесоюзной н.т.к. по автоматизирование системам обработки изображений, г.Ленинград, 1989 г.; 1-й, 2-й, 3-й, 4-й республиканских н.т.к. по генерирована», формирование и применению импульсных сигналов, г.Вильнвс, 1977, 1993, 1984, 1987 гг.; 7-й, 8-й республиканских н.т.к. по автоматизации измерения частотных и импульсных характеристик ради оу строй ств, г.Каунас, 1978, 1981 гг.; 10-й республиканской н.т.к. "Применение микропроцессоров в измерительной технике", г.Каунас, 1985 г.; ежегодных республиканских н.т.к. по радиоэлектронике, г.Каунас, 1975, 1978, 1979, 1984,. 1985, 1987, 1986 гг.; 27-й, 33-й н.т.к. профессорско-преподавательского состава ЛИАН, г.Ленинград, 1973, 1979 гг.; республиканских семинарах по проектированию радиоэлектронной аппаратуры и повышению технического уровня промышленной продукции, г.Вильнвс, 1975, 1987 гг.

На защиту выносятся:

- теоретические основы построения ИИС с визуализацией промежуточных результатов, ориентированных на исследование нерегулярных бастропротехаащх процессов;

- решение измерительных и информационных задач на базе цифровой и графической обработки;

- метода математического моделирования объектов исследования, а также механизма формирования измерительной информации;

- принципы и алгоритмы цифровой обработки изображений, формируемых в ИИС;

- способы анализа погрешностей измерения сигналов и производных от них величин;

- принципы реализации ИИС с визуализацией промежуточных результатов, предназначенных для исследования сигналов, шумов и сигналов в ¡цумах в мадли-пикосекувдном диапазоне длительностей.

ОСНОВНОЕ С0ДЕШАШ1Ё РАБОТЫ

Первая глаза диссертации содержит обзор методов регистрации

и обработки однократных сигналов и процессов милли-пикосекущцюй длительности различными типами приборов и систем. В ней рассматривается особенности аналогового, дискретного и аналого-дискретного методов измерений, анализируются внутренний и внешний способы преобразования выходной информации в цифровой массив, исследуются направления применения средств вычислительной техники, микропроцессорных комплектов, ыикро и мини-ЭВМ. Отмечается, что комплексная автоматизация измерений предполагает качественно новый уровень управления, визуализации, обработки и документирования данных. В соответствии с выбранным направлением формируется перечень вопросов, решение которых обеспечивает необходимое развитие методов и средств измерения сигналов, шумов и сигналов в шумах.

Проведенный в главе структурный анализ задач, ориентированных на ИИС, позволяет сделать вывод, что процесс преобразования измерительной информации должен состоять из нескольких фаз. Вначале долина осуществляться настройка на объект исследования, накопление и сортировка реализаций. Затем - их предварительная обработка с целью построения и анализа первичных изображений. Далее при необходимости долина производиться коррекция искажений, вносимых устройствами регистрации и внешней средой. И, наконец, на закло-чительной стадии исследования должна выполняться функциональная обработка, обеспечивающая решение предварительно формализованных измерительных задач, оканчивающаяся запоминанием и документироваг нием результатов, в тем числе полученных путем количественного анализа двух- трехмерных образов. Под углом зрения предложенной классификации информационных операций дается обзор принципов построения ИИС, выявляются проблемы в части разработки их регистрирующих компонентов, алгоритмов, ПО и метрологии.

Вторая глава посвящена вопросам математического моделирования объектов исследования, а также механизма формирования измерительной информации с учетом нелинейных, инерционных и случайных факторов как основы для разработки ПО. Моделирование является важнейшим звеном всего комплекса исследований и выполняет три основные функции:

а) является средством математической формализации составленных задач;

б) служит инструментом оптимизации алгоритмов функционирования и обработки;

s) обеспзчзшает настройку и мзтрояогическуа аттестат® ПО.

Применительно к рассматриваемый гадачам перечисленные аспекта моделирования недостаточно осваш,еш в научно-технической литературе, вследствие чего использование моделей при проектировании аппаратура подобного класса косит характер формального заимствования, причем из областей, далеких от измерительной техники.

С цельа преодоления суцествуЕфсг недостатков в главе расснат-рнзазтся деа основных компонента моделирования: процессы и сксте-ш. Особенность коделирования иселедуеьшх процессов как объектов шшвгза состоит в том, что они зашшаэт промегуточкое полоаение изщу детерышарованиши и сяучайгшш сигналами. Поскольку целью енаязэа. является получение шфоршции не только о совокупностях, но и о реализациях о отдельности, в основу коделировьшш процессов полокен Еероятностно-детерзшировэжшй подход, основанный ш кластеризации входешх воздействий по характерным признакам с описанием семейств ка языке елуч&йзых процессов. Моделирование охватывает видео и радио ситн&зд. Для их задания вводится понятие класса Х^ с типовой формой xt (t) и «гонкой структурой (возмущением) Ях (t):

xd) =5c{ct) -f- £х<Ъ, M [зс ib] =x£(t) , гдд t - вргыя, & 1 - дискретный издеке. Êop-uax.m onacsjsaesca дй*г«рш2щрошаыой параметрической зависимостью, структура - сзац&аваркюс елучвВаш процессом с определенной корреляцией компонент и одаонернш нормальным распределением. В основу типовых фора полоаоны аналитические модели из ГОСТ 16475-70, дополненные моделями, програшшо синтезируемыми по точкам перегиба путем их сплайн-интерполяции.

ВЕедение понятия класса шуиекодобного сигнала является весьма важным обстоятельством, так как позволяет оптимизировать обработку саблвдаешк данных, a Taise сохранить основные положения метрологии базовой аппаратура, построенной на анализе искажений де-тершровашшх воздействий.

Возмущение йс (t) предполагается реализацией стационарного случайного процесса А X с управляемой автокорреляционной функцией и нулевым математическим ожиданием (МО). Его структура задается путем конструирозакия спектральной плотности s. ("), параметры которой вычисляются через амплитуду и характерную длительность моделируемых флуктуаций. Б работе показана возможность

вероятностного задания структуры, когда появление возмущений данного типа имеет случайный характер. С ©той цзльэ вводгягся ссмей-ство флуктуаций ДХ„, которое описывается гауссозсккм законом распределения при хзэдом t , сдахтральной пяоткостш С0,"3) с вероятностно интерпретируемыми векторным параметром -V у, нудо-тт МО. Такой подход имеет следущуэ кнтерпрзтащ®.

Процесс ЛХ считается состоящим из мясегастЕа случайте подпроцессов ДХ*, которые прояпляЕтся в ' ¿X з соответствия с априорно заданной плоткостьэ вероятности Р(^). Вектор ^ » {^} характеризует интенсивность (срздквэ квгщратаческсе отклонение) 6« подпроцесса, шкрину и нзкоторыз другие сарзмэтры его епзктрэлъ-нсй плотности. Таким образом ого задание влияет на амплитуду (А „ ъ-г>.) флуктуаций, характерных для АХ«, а танке средншз длительность (Ту - —) его флуктуаций.

Моделирование •-леев стационарным шумом с нулевым НО и прямоугольной спектральной плотность» с д ¿Л приводит к сдедущему виду автокорреляционной функции:

" л ^

К ст,6.1 « | Щ^—1 ^ ,

о "

где ) - априорная плотность вероятности параметра , Р(«Мь*) - условная плотность вероятности -с-* при фиксировагдаом значении , ^ - автокорреляционная функция подпроцесса

Излогетгый подход является 'инструментом формализации качественных представлений о вариациях сигнала х {Ъ) и э дальнейшем используется на различных стадиях проектирования ИИС дая олисипш исследуемого процесса.

Моделирование мехгшкзма регистрации и преобразования сетка-лов в диссертации осуществляется на о снопе эвристического педго-да, в основу которого пологека математическая модоль измерительного тракта в веде цепочки независимых операторов ... Я, , объединенных причпшо-следственной связь®. Каэдоэ звено модели (мки-ромодель) отоздествляется с некоторет физическим преобразованием сигнала во вкешей среде, зяалоговск» аналого-цифровом или программном тракте ИИС. Так, з модели 12а*, саотвотствувкзй быстрым

разверткам, первое звено описывает инерционность входных устройств, а токае их рассогласование со входом ШС. Второе звено характеризует динамику устройства регистрации, третье - нелинейность усиления в тракте вертикального отклонения, следующие два звена отраашэт деформацию изображения, обусловленную нелинейностью пилообразного напряжения развертки, а также геометрическими искажениями растра (в системах на базе ЖГ). Шумы и нестабильности аналогового и аналого-цифрового трактов описываются источниками непрерывной и дискретной помех, которые соединены звеном дискретизации/квантования (внутреннего или внешнего). Последнее, девятое звено характеризует комплекс программных преобразований изображения.

Математическим эквивалентом данной структурной схемы является набор причинно-следственных уравнений, увязывающих статику и динамику преобразования сигнала х (О инерционными, нелинейными и шумовши звеньями. В зависимости от цели проектирования характеристики модели задаются вероятностно-параметрическим образом либо путем непосредственного измерения с помощью прямых или косвенных методов. Для повышения эффективности моделирования основным числовым параметрам характеристик придан смысл нормируемых величин. Следует заметить, что оценка динамических характеристик является одной из наиболее сложных проблем проектирования широкополосной аппаратуры. В мегагерцовом диапазоне частот она сводится к использованию метрологически обеспеченных импульсов напряжения для измерения переходной характеристики (ПХ). Применение косвенных методов, основанных на обращении свертки (глава 3), позволяет расширить указанный диапазон путем значительного ослабления требований к параметрам фронта и вершины испытательного сигнала, малая величина которых является основным условием применения прямого метода.

В реализации косвенных методов особую роль играет априорная информация о форме и параметрах искомых величин. Дяя ее превращения в атрибут обработки в главе на примере переходных процессов рассматриваются вопросы параметрического и визуального моделирования статических и динамических характеристик в виде реализаций нестационарного случайного процесса с управляемой геометрией зоны допуска и заданными корреляционными связями. Так, ПХ представляется в виде

= hlb +- ) ' 0£Ctvh;(b ,

где lait» » b^lfhib] , a 0t (tj - временное окно, вырезающее на интервале [jt-j, ; ti-»i] отрезок реализации ht) стационарного случайного процесса H j, длительности Т; « tl,1 - ti. При условии непэрекривадая окон 8t(t) и Qj Ci); 1 ^ j il « 1,2,...,m и задании H ^ пумой с дисперсией d i н прямоугольной спектральной плотностью с граничной частотой и>; , автокорреляционная функция ИХ приобретает следущий вид

О 4-' Г2^ jl а Л\ ß./Л t» /оч

dj.^ch-^itï. • 12)

; »1

МО К (t) переходного процесса H описывается детермигезроввнной функцией, параметрам которой придается смысл нормируемых величин, а именно, времени нарастания фронта тн , выброса Нй и нэравноизр-ности в ерше ш Ки ПХ, а такке вспомогательных величин - длительностей I ; участков их моделирования. Как к в случае сигналов, достоинством модели является возможность управления существованием и поведением реализаций в зоне доверительной вероятности, ширина которой I в момент времени t определяется выросшем (2), а такге коо|фициектоы пропорциональности, зависащт. от закона распределения в пределах зоны допуска. В качестве пргзкэ-ра рассмотрены а) нормально а и б) равновероятное распределения.

Ддя улучшения качества моделировзиия, оптимизации елпаратур-ных затрат, а такае оценки объема ¡жЬорлоции, предъявляемой потребите®, в том числе в виде трехмерных образов, в глазе используется шформационный подход. С его помощи исследуются потери в ИИС в сшсде Шеннока и даются рекомендации по их минимизации.

Потери вычисляются по формуле

1 - 1 I , detiKÇjdlIijêiI-, Ô ~Я"Цгс-¿«t e S») '

где С* и S< - ковариационные матрицы процесса X( и приведенной к выходу ИИС помехи ï (i). К - матрица, сфоргафовяшая га элементов массива ПХ.

В третьей главе иссллг.уется проблема оценки и оптиаизецки базовых характеристик ЛИС. ^аззиваешй э ней подход является комплексным и отличается сквозным характером. Анализ связен с рвали-

задней следуЕщизс операций: формированием стимулов, регистрацией откликов, нахождением и линеаризацией статических характеристик, оценкой динамических характеристик, измерением и оптимизацией метрологических параметров. В зависимости от диапазона измерений анализ ИИС осуществляется прямыми либо косвенными методами. Наиболее проблематичными является вопросы оценки ИХ в системах с полосой пропускания более I 1Гц, сложность которых обусловлена отсутствием образцовых испытательных сигналов.

В 8той связи в главе анализируются временной и частотный методы идентификации» различающиеся природой априорных сведений, а так&е особенностями алгоритмизации (решение системы линейных алгебраических уравнений, использование быстрого преобразования (йурье). Суцдасзь методов заклвчаатся в обработке отклика и.» (t) лшейной чести математической модели ШС на испытательное воздействие »« (*) и отражает реаение уравнения интегральной свертки

] х^^сЧ-г)«^ иисЪ , К^Ь = , (3)

с

описыващего динамику ИИС. Анализ показывает, что в условиях неточного заданий зс«(-Ь) и его отклика (£), имещего место на практике, математическая корректность задачи (устойчивость решения) для импульсе, блвзкого по форме н прямоугольному, зависит от соотношения ^/г,, , где - длительность фронта ас «(О» а также от характера колебаний на его вершине. Это позволило в зависимости от полосы пропускания ИИС выделить два практически важных случая идентификации: 'Ср/т* «I и ??>/"£>, ~ I. Отмечено, что при г^/ги <¿¿1 условия получения устойчивой оценки ПХ имеет вцд ограничений на параметры возаданий на вершине стимула, а такае на погрешность кодирования иосодша: данных (t), приведенную к выходаому сигналу. Устойчивость контролируется с помощью коэффициента ' к*, , характеризующего рост интенсивности (среднего квед-ратического отклонения) <5*. пог решости кодирования.

Последи®! должна удовлетворять условию ЬГл < д-а/\ >где А -вмшштуда сигнала (*), а Д - допустимая величина'относи-тельной случайной погрешности оценки ПХ.

При наличии сильных флуктуаций на вершине сигнала а

текке в случае т^^Тн алгоритм идентификации V». > существенно усложняется. лея его конструирования автором применен байесов-

ский подход, поз валящий найти огтаимальнуз оценку динамических характеристик в классе их статистических моделей.

В частности, дискретная оценка ПХ имеет следующий ввд

К' - ^н G ( и — S ) + h j (4)

где Йслг и £>tii- коварциояныэ матрицы погрешности дК рас-

чета ПХ, а такие приведенной погрешности я Т» + задания входного и выходного сигналов:

(£4.)£i = О^Ь, +cCkvJc <б)

Выше u. = (г К , G - матрица кусочно-разностного приближения уравнения (3), SG - ков&рицнонкзя патрица погрешности ее элементов. Из выражений (4)-(б) следует, что капель ПХ входа? в оценку К4 посредством задания среднего вонтора к и ковариационной матрицы С(I» формируем« из Kit) и Rh(t,i")цутем соотвотстз}тз;ей дис5фетизации. Чем полнее они отразетм* априорные свойства реальной ПХ, тем точнее оценка (4). По этой причюгэ для НЖ5, функционирующей в режиме быстрш: разверток, разработан метод алриоркс.1 оценки суммарного вреиени нарастания двуг пзрйсс ккзрцион-ных звеньев. Его смысл закиочается во введении поправки к известной формуле гс » ( г*)* , которая годится только для ПХ гаус-совского типа. В частности показано, что = 1.65 , где s*t= -ь ^ , ¿'¿а f»y»x ClAh;|), i • 1,2 и гдз A^i - otäeohqklio реальной ПХ от гауссовской ПХ а иокеят времени £г .

Проведенные ивяинннв и ватурякэ эксперименты показывает, что при погрешности кодирования неходка: дэнйнх 0,5-1 % удается достичь погрешности идентификации порядка 1,5-й %.

Одной из актуал ьных проблем аттестации лпзро ко полосных НЙС является определение динамических характеристик в условиях неполного набора данных, когда информация об x«(t) сильно ксаетеиа ила отсутствует (нет образцового устройства, нзмзреккя), либо когда не подходит сам сигнал. В первой случае предлагается воспользоваться дополнительными измерениями в частотной области, сведет« о которых вводятся в алгоритм обработки, агорой - восполжть пробел за счет применения радиосигналов. В развитие метода автором предложено оригинальное устройство идекифшщш!, заярщедаое авторе-

ш свздательством.

Измерение динамических характеристик ИЙС является составной часть» проблема сгсвозной идентификации, в процессе которой находится весь комплекс весовых фушац® шгфомодели. Реализация данной процедуры осуществляется последовательно, при этом редукция система к лтейному устройству осуществляется путем фильтрации шумовых и устранения систематических погрешностей, связанных с геометрическими кскагешдаш изображения, а также нелинейной трансформацией временной и адаялтудкой осей. Обработка сигналов выполняется на основании калибровочных коэффициентов, рассчитываемых путем анализа откликов Ж) на исштательшо сигналы известной форуы: моток, уровней, сеток и т.д.

Коррекция нелинейности развертки сводится к программной линеаризации форш ее пилообразного напряжения по калибровочным коэффициентам [ ., которые рассчитываются путем обработки откликов одного шш нескольких периодических испытательных сигналов Коэффициента % определяйся по пересечению и.и (Ь) с программно или апааратно задававши ышлитудиым уровнем А. Б результате сплайн-и^ерполяции напряжения развертки и последующей коррекции по нему сигнала V (-1), продескритеаированного с шагом , формируется исправленный массив с елеиентами

Предложена, аыщшш авторским свидетельством способ и структурная схеш расширения границ рабочей части мишш электроннолучевой трубки МШ (в среднем до 20 в основе которых лежит принцип варьирования лериайа испытательного сигнала. Чцея способа заключается в использовании всей информации о форь® отклика, что позволяет болеа еффептшшо осуществить процедуру восстановления. В основе лшеаризири статических характеристик, описыващкх амплитудные и геометрические иекяйешя ИИС, включая устройства преобразования на ее входе я выходе, лежит обработка серии однородных испытательных сигналов различной амплитуды. В главе показывается, что калибровочные коэффициенты а.^ можно получить, обрабатывая изображение Уи.Л*)» = 1,2,..., «г известной достаточно произвольной временной сетки <-<.,,к(1), поданной на вход идентифицируемого звена ИЙС. Определение коэффициентов • происходит пу-

тем решения системы линейных алгебраических уравнений ¿=0

Пределом остаточной погрешности линеаризации является погрешность дискретизации/квантования, составляется для рассматриваемого класса ШС величину менее I %.

В зависимости от целей обработки в вычислении калибровочных коэффициентов возможны различия. При преобразовании сигналов требуется полный набор , • В случав же расчета их амплитудных и временных параметров число коэффициентов из-за локальности зоны обработки резко уменьшается. Это имеет важное значение для систем с ограниченным объемом памяти.

В четвертой главе рассматривается проблема диалоговой обработки изображений с различными критериями на фоне влияющих факторов. В ней ввделены вопросы восстановления, накопления, преобразования, измерения и принятия решения. Обработка искажений является- одной из наиболее сложных проблем и потребовала развития математического аппарата, базирующегося на моделях, предложенных во второй главе. Решение задачи, как в случае едентификации, носит сквозной характер и предшествует функциональным преобразованиям, связанным с реализацией измерительных задач. Важнейшим элементом данного ввда обработки является коррекция инерционных искажений, в основе которой лежат методы решения некорректно поставленных задач.

Показано, что в зависимости от критерия обработки восстановление сигналов может быть полным либо частичным. Полное восстановление эквивалентно коррекции всех влияющих факторов ПХ, форла которой в случае идеальной обработки приближается к прямоугольному перепаду. Частичное - затрагивает лишь некоторые из ш. В этой связи рассматривался: уменьшение неравномерности ПХ, коррекция ее фронта, линеаризация амплитудно-частотной (АЧХ) и фазо-частст-ной (ФЧХ) характеристик в заданном диапазоне частот, увеличение полосы пропускания АЧХ. Отмечается, что покомпонентная обработка влияющих факторов эквивалентна решенга характерных задач измерительной техники: повышению класса точности аппаратуры, расширению частотного дгс&пазока измерений, увеличению диапазона измерения гармонических сигналов и т.д. Особенностью частичной обработки является использование критериев, не связанных с сигналами, что

существенно упрощает проверку качества получаемых результатов. Такое восстановление означает редукцию ОХ ИИС к некоторой оптимальной для данного сигнала или класса сигналов характеристике и осуществляется в соответствии с критериями, имасщими смысл погрешности (мгновенной, средней квадратнческой, взвешенной и т.д.).

Одним из водных результатов главы является придание параметру регуляризации, введенному А.Н.Тихонсвш при решении некорректных задач, смысла коэффициента расширения частотного диапазона измерений lip=* jtf^-t где afc - полоса пропускания прибора до (i = I) и после (i ■ к) обработки. В глаге выясняется его взаимосвязь с изменением систематической и случайной составляющих погрешности, исходя из чего форшруется оптимизационная задача.

Расширение частотного диапазона рассматривается для двух случаев: а) когда ОХ монотонна (неравномерность отсутствует шш устранена) и б) когда для ОХ характерно возмущение начального участка фронта и вершины.

В случае "а" характеристика аппроксимируется параметрической кривой с варьируемым значением времени нарастания Тн '. В случае "б" используется байесовский алгоритм восстановления. Возрастание шумов контролируется ковффициентом к.у = , где б"1; - дисперсия случайной погрешности, приведенной к выходному сигналу до (i » I) и после (t» 2) восстановления. В качестве примера рассматривается случай с импульсной характеристикой (ИХ) э&своншцк&шззго т-дяк которого преддссви еЗфзггквиыЗ по времени счета и обм:ау Есподьвуемой памяти ехгорюгм обработки. Алгоритм предназначав для встрявж&ешх ж прибор 8- к 16-рвзрядша микропроцессорных вычислителей а представляет собой несловную вычислительную процедуру:

Л; = + +D ) м.- - кр В и^., ,

где В о - константы, зависящие от размерности обрабатываемого ьасснза данных [и.,] , длительности развертки Тр , времени нарастания ИХ гн и коэффициента расширения частотного диапазоне, кр. Алгоритм реализуется с подоцью цифрового рекурсивного фшл-ра, обеспечивающего сохранение ввда исходной характеристики. Подавление шумов осуцествляется методом скользящего среднего.

При анализе процедуры восстановления, разработанной на основе байесовского подхода, обращается внимание на физический смысл преобразования, где взделеш огарецни инверсной фильтрации, усиления, зеркального отражения, & т&кае сглаживания физически рее-

лизуемым фильтром. В зависимости от. постановки задачи параметра фильтра отражают априорные сведения о сигнале либо о корректируемой характеристике. В первом случае алгоритм восстановления является адаптивным, причем под форму входного сигнала подстраивается один или несколько числовых параметров. Во втором случае алгоритм фиксирован и не зависит от вода сигнала. Оба подхода страдают недостатками. Системе с точностным критерием трудно сопоставить единый частотный диапазон, поскольку его граница меняется в зависимости от формы входного воздействия. В системе, алгоритм восстановления которой настроен на фиксированный диапазон, погрешность |]дя IЬ||существенно зависит от формы сигнала х (*). Дня оптимизации характеристик ИИС в смысле обоих критериев предложен алгоритм, совмещающий высокую точность восстановления (до 1-2 %) со значительным расширением частотных границ (в 2-3 раза). Задача решается разбиением входных воздействий на классы близких та форма сигналов с последующим сопоставлением мздому классу оптимального по точности алгоритма обработки, настроенного на единый частотный диапазон. В основе подхода лежит байесовски оптимальный оператор, в состав которого входит двумерный сглаживающий фильтр V ), формирующий коэффициент передачи ШС. По одному параметру фильтра (<->) настраивается частотный диапазон системы, по другому () -в соответствии с критерием средней квадратической ошибки осуществляется адаптация фораы его характеристики под исследуемый сигнал.

Распознавание осуществляется в пространстве откликов с помощь» стандартных решающих функций вида

где КС.ЬГ - ковариационная матрица откликов и! , принадлежащих классу Щ = • Вше К =К(Ю - оператор преобразования х в и , обязанный своим происхождением кусочно-разностной аппроксимации уравнения (3), Р(Х^) - априорная вероятность класса X [ , С, - ковариационная матрица Х£ , я длящаяся дискретным аналогом функции (I), а=К£,

В главе рассматриваются такно вопросы восстановления при неполном объеме исходных данных. В качество иллюстрации покавывает-ся возмоныость прнведзния прибора а образцовой мере, минуя етап определения ОХ.

Анаша проблемы регистрации а обработка радиосигналов с вмв-

лжщной модуляцией показал, что необходимо шдслать дп&случая: и ~ I, зависящие от положения несущей }( на частотной оси и'аирины спектра огнбваце£ д/с , и различающиеся Степаньв устойчивости результата. Опредашощую роль при этом играет поведение АЧХ в пределах спектра радиосигнала. В этой связи выявлены и исследована факторы, амяпщка на точность восстановле-шш.

При рассмотрении проблемы шкерзакя гарконяческих сигналов за пределами полоса пропускания ИИС отмечается, что коррекция их погрешностей сладится к несложный операциям сдвига в масштабирования.

Важнейшим параметром, вякявщим на эффективность восстановде-шш, в частности, на коэффициент ралагрошш , является разрешает^ способность ЙИС, которая определяется временем нарастания базовой ИХ ги , а также изгои дискретизации л* аналого-цкфро-вого преобразования.

В зависимости от вэличеш ввделегш три случая обработки:

ТГГ 1. тгг ~ I и ~ >> I. В первом случае восстановление лишено практического смысла, так как информация о переходном процессе полностью отсутствует. При ~| ~ I целесообразность обработки зависит от 1футизкы АЧХ вблизи значения частоты, равного полосе пропусканид .В случае » I восстановление имеет все предпосылки для реализации. 0®сэда следуе» естественный вывод о необходимости пересмотра при проектировании ШС традиционных представлений о соотношении длительности самой быстрой развертки осциллографа с временем нарастааия его ПХ.

Анализ требований к погрешности кодирования показывает, что ока должна удовлетворять тому яе условию, что и в задаче .косвенной оценки ИХ.

Для оценки предельных возмозностей расширения частотного диапазона ШЗ задача обработки,рассматривается с точки зрения оптимизации отношения сигнал/шум- В частности, для монотонной ПХ с экспоненциально нарастающей формой фронта при сохранении исходной чувствительности получено предельное значение , равное 1.7.

В повышении эффективности измерений важную роль играют аспекты обработки, связанные с устранением искажений сигнала, обусловленных влиянием внешней среды. С этой целью в главе исследована вопроса, связанные с излучением, поглощением и отражением. В качества одного из примеров рассмотрена система: источник сигналов

- соединительная линия - регистратор. Показано, что при учетеог-раничений на остаточную погрешность и частотный диапазон измерений, а танке при условии проведения дополнительных измерений с линиями различной длины, можно получить калибровочную характеристику кабеля, позволяющую устранить влияние рассогласования на его концах, а также исключить потери за счет поглощения в металле и диэлектрике.

В проблематике приемо-излучательных элементов ИИС выделены: оптимизация передающих трактов на основе редукции динамических характеристик преобразователей к характеристикам образцовых элементов, расчет функции излучения, повышение разрешающей способности аппаратуры путем устранения в отклике перекрестных искажений, возникающих из-за влияния длительности зовдирующего импульса, а также организация обнаружения и выделения полезной информации на фоне шума в условиях априорной недостаточности.

Большое место в диссертации отводится вопросам функциональной обработки сигналов как случайных реализаций сигнала, шума или сигнала с шумом. В этой связи рассмотрена специфика применения осцил-лографических методов для статистического анализа случайных процессов путем формирования и визуализации представительной выборки, идентификации распределений, в том числе нестационарных процессов, оценки моментов, корреляции, а также вьделения заданного сигнала из смеси. Решение измерительных.и информационных задач осуществляется на основе программно-перестраиваемых схем вычислительного процесса, использования средств ьизуализации различных математических и графических операций, реализации алгоритмов накопления, сжатия, обнаружения и распознавания сигналов на основе целенаправленного использования предложенных математических моделей.

Важным моментом проектирования ШС является представление решения информационных и измерительных задач с помощью .структурных схем, отражающих последовательность аппаратно-программной реализации функциональных операций и отличающихся использованием сведений, полученных при анализе промежуточных результатов. Это позволяет наилучшим образом подойти к проблеме разработки ПО, а также обеспечить такой режим работы ИИС, когда пользователю не нужно знать особенности сбора и обработки информации, однако требуется представлять общий характер решения в целях воздействия на ход эксперимента.

Петая глава посвящена проблеме оценки погрешностей воспроизведения и преобразования сигналов, а тахке погрешостей измзрениа их функционалов. В основу адыиза пологом метод моделирования, предложенный Э.И.Цветковьм.

Достоинством метода является физически прозрачный формавизы, воэмогность исследования как полной погрешности, так и ее составляющих, а также возможность увязки погрешостей измерения анализируемых величин с петрологическими параметрами ШС.

Рвиение нетрадиционных измерительных задач, естественно, потребовало нового подхода к анализу погрешностей проектируемой аппаратур]. В работе они исследуются на разных уровнях: детализации макромодели ШС с поысщьа аналитического подхода и (агитационного эксперимента. В первом случае получеки выражения, оюссывазацие интервальную сценку погрешности регистрации (мгновенной погрешности сигнала х (*)). Путем обкара последней по специальном алгоритмам находятся погрешости измерения наиболее характерных парегетров исследуемого процесса. Реализация метода требует определенных вычислительных затрат, в особенности, для персональных ЭШ1, поэтому параллельно предлагай метод экспресс-оценки погреаюсти, основанной на замене реальной ПХ параметрической модельэ, а статистической модели входных сигналов - набором их детермкровсиных аналогов. Поскольку в результат обработки существенней вклад вносит случайная погрешность, б гдавз предлагается ее вероятностная оценка, полученная с помогал) теории выбросов случайных процессов, Киита-ционное моделирование используется для поствиовхш сквозного машинного эксперимента на м&кромоделк ИИС с целью детального исследования погрешостей преобразования в аналоговом, аналого-щфровом и программном трактах систем. йшт&ционюай екешргшен: реализуется средствами (ЗАИР, для чего на базе ЭВМ типа ЕС, СМ и ДВК разработан комплекс взаимосвязанных подсистем. Практическое осуществление аксперимента заклочается в формировании случайных реализаций входного процесса графическим редактором в соответствии с принципами моделирования, излоаеншш во второй главе, их программой подаче на вход системы, синтезированной в ввде цепочки операторов, последовательно» преобразовании сигнала кездш звеном модели с предварительно заданными характеристиками, вычислении на выходе каждого звена соответствующей реакции, а таете погрешности в заданной метрике, формировании изображения, имитации всех ввдов об-

работки выходного сигнала. Такой подход позволяет получить вез необходимую информацию о функционировании ШС как в части регистрации, так и в части преобразования данных.

Количественный анализ, проведенный для устройств регистрации трах классов точности в исследуемом диапазоне частот, показал, что исходная погрешность измерения существенно зависит от соотношений типа и , где тт и та4- - длительность фронта сигнала,

а такаэ его длительность на уровне 0,5 А^ , где - пиковая амплитуда. В частности, для пяти-десятикратного превышения т„ над т<г> и Тат погрешность измерения сигналов, задакпых согласно ГОСТ 16465-70, лежит з пределах 1,8-13,3 % для 2,6-25,6 % для лг-^, и 3,4-25,9 % для ьТс.т . После программой коррекции погрешность существенно уменьшается (до 2-3 %) и том са&ш обеспечивает рздук-цию ИИС к точной системе.

Шестая глава содержит анализ принципов построения и функционирования ШС, связанных с архитектурой аппаратных средств и составом ПО. В соответствия с общей концепцией работы в главе выявлены основные аспекты проектирования в части организации процесса регистрации, разработки принципов управления и кодирования измерительной информации, осуществления обработки и документирования. Приведенные структурные схемы одно- и многоканальных ИИС на базе перспективных осциллографических приборов, функционирующих в реальном и трансформированном масштабе времени, обеспечивают решение измерительных задач, связанных с анализом сигналов, шумов и сетка-лов в пумах, в том числе в веде большого числа реализаций, позволяют осуществить запоминание и длительное хранение исходных и обработанных данных, реализуют широкий спектр сервисных функций по управлению, визуализации, документированию, организации подсказок, получению справочной информации и т.д. В схеме функционирования ИИС выделено пять стадий: а) регистрация сигналов и их запоминание в ОЗУ системы, б) накопление информации на магнитном носителе, в) просмотр, слияние и сортировка файлов, г) адаптация моделей, цифровая и графическая обработка, д) отображение, анализ и табулирование информации. Спецификой систем является высокое качество метрологических характеристик, сквозное управление (с помощью развитого диалога и многостраничного "мемо") , восстановление, измерение и идентификация процессов, их визуализация в двуг и трехмерной системе координат (вкшчая полиэкранный резш),спггт-

ральный и статистический анализ. Интерактивный режим позволяет проанализировать эволюцию шумоподобного явления путем отображения пространственной картины совмещенных реализаций, вывода графиков его временных и спектральных характеристик, включая плотности распределения и характеристические функции; отследить развитие нестационарного процесса в течение заданного времени; произвести экспертную оценку его свойств; осуществить широкий спектр маркерных и автоматических измерений в указанной области и т.д.

Обобщение результатов исследований, полученных с помощью ИИС на базе управляющих и персональных ЭВМ, разработанных в обеспечение термоядерного, лазерного и геофизического экспериментов, а также экспериментов в области физики микромира и функционирующих в режиме удаленных, непрерывных и статистических измерений, показало практическую ценность ИИС, а также возможность получения значительного экономического эффекта за счет существенного снижения материальных затрат и резкого повышения производительности труда.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертационная работа посвящена разработке основ просгрое-ния ИИС с визуализацией промежуточных результатов, предназначенных для исследования нерегулярных процессов милли-пикосекувдного диапазона. Выполненные исследования являются теоретическим обобщением и решением крупной научной проблемы, связанной с автоматизацией научно-технического эксперимента в ведущих областях науки и техники и тем самым имеют важное народнохозяйственное значение.

При решении указанной проблемы получены следующие основные результаты:

1. Сформулированы требования к проектированию ИИС, предназначенных для исследования нерегулярных быстропротекшщих процессов типа сигнала, шума и сигнала с шумом. Дана систематизация решаемых с их помощью измерительных и информационных задач, в том числе базирующих на операциях обработки информационных образов.

2. Разработаны методы математического моделирования исследуемых объектов в веде случайных процессов с вероятностно-интерпре-тируешми признаками. Разработана методология математического моделирования механизма преобразования измерительной информации в ИИС, учитывающая нелинейные, инерционные и шумовые факторы. Соз-

-Заданные модели положены в основу восстановления реализаций исследуемых процессов, формирования и обработки многокомпонентных изображений, косвенных измерений характеристик ЛИС, информационного и точностного анализа.

3. Проведен теоретический анализ, предложены и апробированы методы комплексной идентификации, значительно улучшающие точность измерения характеристик ШС, а также существенно сникающие требования к форме н параметрам испытательных сигналов. Предложен способ программной редукции ИИС к образцовой измерительной системе.

4. Разработаны методы и алгоритмы цифровой обработки информации, обеспечивающие решение новых измерительных задач, расширение частотного и амплитудного диапазонов измерений, повышение точности и чувствительности ИИС, улучшение их разрешающей способности, функциональности я информативности, в том числе с точки зрения накопления данных, ввделения полезной информации, визуализации, автоматизации измерения и документирования.

5. На основе предложенной концепции моделирования разработана методология оценки погрешности измерения сигналов и производных от них величин. Сформулированные принципы положены в основу создания специальных яроблеыно-ориентированных подсистем САПР.

6. Предложены и реализованы практически принципы структурной организации проблемно-ориентированных MC с визуализацией, промежуточных результатов. Приведены схемы решения основных измерительных и информационных задач, описаны особенности построения и функционирования одно- и многоканальных MC.

7. Получены ценные в практическом отношении результаты, связанные с проведением удаленных измерений, анализом нестационарных процессов, выделением полезной информации и организацией косвенных измерений, характеризующие высокую технического и экономическую) эффективность ШС применительно к задачам физики элементарных частиц, геофизики, ядерной энергетики, лазерной техники и т.д.

Ö. Практическая значимость работы подтверждается результатами 12 НИР и 6 ОКР, созданием и внедрением 7 разновидностей ШС, а также публикацией более 60 работ, включая монографию.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДНОСЕРЩИИ

I. Гарб Х.Д., Каэимянец В.Н., Фридберг П.Iii. Излучение из узкой поперечной щели на поверхности кругового цилиндра // Радиотехника

и глектрониха.-Ц.,1972.-17, 12-7.

2. Виноградов В.И. , Дзнисов А.Ф., Казимянец В.Н. Влияние неоднородвостей рецирпулятора на форму прямоугольного ш-ульса // Радиоэлектроника - К., 1972.-8.-£.

3. Виноградов В.И., Дзнисов А.Й., Казимянец В.Н. Анализ искажений строб-иицульса. в регистраторе с фиксированным шагом считывают // Осщшюгргфические методы измерений.-В., 1973.-1.-5.

4. Герман В.А., Денисов А.Ф., К&зкмянец В.Н. Измерительно-вычислительные комплексы для решения радиотехнических задач // Вопросы радиоэлектроники. Сер. РТ.-1973.-4.-7,

5. Казимянец В.Н. Проектирование измерительно-вычислительных комплексов с цифровой коррекцией сигналов // Тез. докл. республиканской н.т.к. "Информационные и измерительные устройства в радиоэлектронике". -Р., 1974.-3.

6. Герман В.А., Денисов А.¡5., Казимянец В.Н. Оценка расширен полосы пропускания при цифровой коррекции линейной измерительной системы // Вопросы радиоэлектроники. Сер. РТ.-1974.-4.-7.

7. Герман В.А., Денисов А.8., Казимянец В.Н. Восстановление входных сигналов измерительной система (практические рекомендации и машинный эксперимент) // Вопросы радиоэлектроники. Сер. РТ,-

1974.-4.-6.

8. Герман В.А., Дзнисов А.й., Казимянец В.Н. Статиогическая регуляризация решения одной некорректно поставленной задачи с неточно заданным оператором // Радиотехника и электроника.-М., ■

1975.-20, 2.-3.

9. Герман В.А., Денисов А.6., Казимянец В.Н. Использование априорной информации в некорректно поставленных задачах // Автоматизация проектирования в электронике. -К.,1975.-11.-7.

10. Денисов А.Й., Казимянец В.Н. Вопросы измерения характеристик осциллографов на ТВВ с помощью ЭЦВМ // Тез. докл. республиканской н.т.к. "Радиоэлектроника". -К.,1975.-2.

11. Казимянец В.Н., Савицкий Е.Е. Некоторые результаты экспериментального исследования возможностей аттестации осциллографи-ческих устройств с помощью ЭВМ Л Тез. докл. республиканской н.т.к. "Радиоэлектроника", -К.,1975.-2.

12. Казимянец В.Н., Ыамаев А.И. Экспериментальное исследование цифровой коррекции при проектировании измерительных осцилло-графичэских комплексов для исследования однократных сигналов //

-ZI -

Вопросы радиоэлектроники. Сер. FT.-1975,-3.-8,

13. A.c. 5IS653 СССР, MKi^GOIR27/23. Измеритель характеристик осциллографов / А.Ф.Денисов, В.Н.Казимянец'(СССР). -Ii 2093006/21; Опубл. 24.08.76. Бол.ДО 24.

14. Денисов А.й., Казимянец В.Н., Стариков В.Д. Сравнительная оценка возможностей восстановления на ЗЦВУ входных сигналов линейной нестационарной систеиы // Автоматизация проектирования в электронике. -К.,1976.-14.-3.

15. Казимянец В.Н. Цифровая коррекция вшсодных сигналов осцил-лографических систем: Автореферат, ШИ им.А.Снечкуса. -К.,1975. -24.

16. Денисов А.З., Казимянец В.Н., йенаев А.И. К моделировании осциллографических приборов // Техника средств связи. Csp. PT.-U., 1976.-3.-5.

17. Казимянец В.Н. Повышение точности численной оценки переходной характеристики // Техника средств связи. Сер. FT.-II. ,1977. -3.-7.

18. Казкыпкец В.Н. Оценка локальных статистических характеристик восстановления импульсных сигналов // Родиоизнэрительная техника. -В.,1978.-3. '

19. Бугаец Е.С., Казимянец В.Н. К выбору формы импульса с равномерным спектром // Радиоизмерительная техника. -В.,1978.-7.

20. Денисов A.S., Казимянец В.Н., Онищенко А.Г. Определение параметров переходной характеристики скоростного осциллографа C7-I5 // Генерирование, формирование и применение импульсных сигналов. -В.,1978.-2.-5.

21. Денисов Казимянец В.Н., Федоренчик А.И. Статистический подход в исследовании неравномерности амплитудно-частотной характеристики //Техника средств связи. Сер. РГ.-Н.,1978.-3.-7.

22. Денисов А.5., Казимянец В.Н., Ониценко А.Г., Сольцас Р.Х. Исследование точностных характеристик скоростных осциллографов на 3JIT БВ // Известия ВУЗ-ов Лит.ССР: Радиоэлектроника.-К.,1978.-14.-6.

23. Казимянец В.Н., Пилецкас ЭЛ., Шмаков Ю.Г. К вопросу цифровой обработки эхосигналов // Научные труды ВУЗ-ов Лит.ССР: Ультразвук. -К.,1979,-II.-5. '

24. Казимянец В.Н. Влияние точности задания переходной характеристики на параметры корректируемых приборов // Осциллографа-

ческие методы измерений, -М.,1979,-5.

25. Авдеев В.А., Денисов А.й. Казимянец В.Н., Содьцас Р.Х. Программное обеспечение управления автоматизированного осцилло-графического регистратора однократных и редкоповторящихся сигналов // Осциллографические метода измерений. -М.,1979.-4.

26. Казимянец В.Н., Сольцас Р.Х. Программное обеспечение цифровой коррекции нелинейности Х-тракта // Техника средств связи. Сер. РТ. -Л.,1979.-3.-4.

27. Казимянец В.В. Обработка выходного изображения в прямом методе измерения переходной характеристики // Техника средств связи. Сер. РГ. -М.,1980.-3.-9.

28. Денисов А.®., Казимянец В.Н. Аттестация осциллографичес-ких приборов повышенного класса точности // Тез. докл. республиканской н.т.к. "Генерирование, формирование и применение импульсных сигналов".-В.,1980.-2.

29. Вихров Т.П., Григонис Н.-В.С., Нилевич И.И., Казимянец В Л., Исаенко Н.Б. Автоматизированная система цифрового кодирования и обработки измерительной информации с экранов Э1Т осциллографов // Радиоизмерения. -К.-В.,1981.-I.-I.

30. Денисов А.Ф., Казимянец В.Н., Сольцас Р.Х., Федоренчик А.И.

„ Анализ погрешностей воспроизведения сигналов линейными измерительными системами // Научные труды ВУЗ-ов Лит.СО1: Радиоэлектроника. -В.,1981, 17, 1.-7.

31. Авдеев В.А., Гевдель Е.Г., Денисов А.®., Казимянец В.Н. Автоматизированная осциллографичаекая система для регистрации однократных редкоповторясщихся сигналов // Тез. докл. всесоюзной н.т.к. "Высокоскоростная фотография и метрология быстропротекающих процессов". -М.,1981.-1.

32. Казимянец В.Н., Сольцас Р.Х. Программное обеспечение интеллектуальной измерительной системы // Техника средств связи. Сер. РТ. -М.,1982.-3.-9.

33. А.с. 951151 СССР, ЫКИ3^ 01 ЫЗ/ЗО. Способ корректирования изображения электрического сигнала на экране электронно-лучевого осциллографа / В.Н.Казимянец, Р.Х.Сольцас (СССР). - & 2956107/1821; Опубл. 15.08.82. Ьол. # 30.

34. В.Н.Казимянец. Восстановление сигналов на основе предварительного распознавания // Техника средств связи. Сер. РГ.-М.,1982. -З.-Ю

35. Денисов А.Ф., Казимянец В.Н. Повышение точности цифровых осциллографов // Тез. докл. всесооэной н.т.к. "Проблемы метрологического обеспечения систем обработки измерительной информации". -Ы. ,1982.-1.

36. Гевдель Ю.Г., Денисов A.SS., Двденко U.M., Казимяноц В.Н., Навицкас P.C., Сольцас Р.Х. Программное обеспечение системы автоматизации научного эксперимента // Тез. докл. всесоюзной н.т.к. "Осциллографические методы измерений". -М,,1982.-1.

37. Денисов А.®. , Казимянец В.Н. Информационные и точностные потери при осциллографических измерениях // Тез. докл. всесоюзной н.т.к. "Осциллографические метода измерений". -Н.,1982.-1.

38. Денисов A.S., Казимянец В.Н. Моделирование погрешности воспроизведения сигналов // Техника средств связи. С-ер. РТ. -И., 1983.-3.-10.

39. Казимянец В.Н. Восстановление сигналов на фоне статических и динамических искажений // Техника средств связи. Сер. РТ. -М.,1984.-3.-11.

40. Казимянец В.Н., Долбик В.А. Программная реализация распознавания на основе сплайн-функций // Тез. докл. республиканской н.т.к. "Радиоэлектроника". -К. ,1984.-1.

41. Казимянец В.Н., Долбик В.А. Ускоренное преобразование Фурье в задачах микропроцессорной обработки // Тез. докл. отраслевой н.т.к. "Генерирование, формирование и применение иыпульсшк сигналов". -В.,1984.-1.

42. Казимянец В.Н. Самокалибровка переходной характеристики в автоматизирован®« осциллографах со сменными блоками // Тез. докл. отраслевой н.т.к. "Генерирование, формирование и применение импульсных сигналов". -В.,1984.-1.

43. Гевдель Ю.Г., Денисов А.Ф., Казишшец В.Н. 1!ногогсанальная система регистрации импульсных сигналов в широком амплитудном и временном диапазонах // Сборник материалов всесоюзной н.т.к. по инженерным проблемам в термоядерных реакторах. -Л.,1984.-10.

44. Казимянец В.Н. Синтез видеоимпульсов путем суммирования радиосигналов с заданным законом модуляции // Техника средств связи. Сер. РТ. -М.,1965.-3.-8.

45. Казимянец В.Н. Оперативный анализ переходного процесса последовательной цепи П Научные труда ВУЗ-ов Лит.ССР: Радиоэлектроника. -К.,1985.-21, I.-3.

46. Казимянец В.Н. Имитационное моделирование в задачах микропроцессорной обработки сигналов // Радиоизмерения. -К. ,1985.-3.-4.

47. Казшянец В.Н., Федоренчшс ¿.И. Использование персональных компьютеров для виртуального решения измерительных задач // Радиоизмерения. -К. ,1985.-3.-4.

48. Кааимянец В.Ы., Ыардосевич Е.Я. Алгоритм расширения частотного диапазона измерений, рассчитанный на 8-разрядный микропроцессор // Научные труды ВУЗ-ов Лит. ССР: Радиоэлектроника. -К., 1985.-22.-5.

49. Казимянец В.Н. Устранение переходных явлений при регистрации радиосигналов // Научные труды ВУЗ-ов Лит. ССР: Радиоэлектроника. -К.,1986.-22.-4.

,50. Денисов A.S., Казимянец В.Н., Косаковский А.Г., Онищен-ко А.Г. Задачи построения скоростных осциллографических приборов нового поколения // Тез. докл. всесоюзной н.т.к. "Высокоскоростная фотография и метрология бнстропротекашрх процессов". -Ы. ,1986.-1.

51. Казимянец В.Н. Задачи функциональной обработки осциллографических изображений // Тез. докл. всесоюзной н.т.к. "Осциллогра-фические методы измерений11. -В., 1986.-I.

52. Казимянец В.Н. Проблемы метрологического моделирования осциллографических методов измерений'1-В. ,1986.-2.

53. Казимянец В.Н. Реставрация изображений электрических сигналов в субнаносекунднои диапазоне // Интенсификация применения компьютеризированных методов, тезисы. -В.,1987.-2.

54. Дцдешсо Ы.М., Казимянец В.Н., Мардосевич Е.Я., бриман И.А. Программное обеспечение автоматизации научного эксперимента, связанного с регистрацией однократных и редкоповторяицихся сигналов // Техника средств связи. Сер. РТ. -М. ,1987.-3.-12.

55. Казимянец В.Н. О влиянии шага дискретизации на црогргшноз расширение частотного диапазона измерений // Тез. докл. республиканской н.т.к. "Генерирование, формирование и примет ¿нив импульсных сигналов". -В.,1987.-2.

56. Казимянец В.Н. Программное обнаружение однократных сигналов // Техника средств связи. Сер. РТ -И. ,1988.-8.-7.

57. Диденко U.U., Казимянец В.Н., Мардосевич Е.Я., $римда И.А. Автоматизированные измерения на базе ЗВЙ // Тез. докл. всесоюзной школы по пикосекундной технике. -Е.,1988.-2.

58. Казимянец В.Н. Цифровая обработка электрических сигналов

в наносекундном диапазоне // Научные труды ВУЗ-ов Лит. ССР: Радиоэлектроника. -К., 1968.-24, I.-I.

59. Лвденко М.Ы., Казииянец В.Н., Ыардосевич Е.Я., Фриман И.А. Автоматизированные измерения на базе персональной ЭВМ // Научные труды ВУЗ-ов Лит. ССР: Радиоэлектроника. -К.,1988.-21, I.-I.

60. Казимянец В.Н., Нардосевнч Е.Я., йриман И.А. Пакет прикладных програкы регистрации, обработки и документирования осцил-лографических сигналов // Алгоритмы и программы, per. номер 5088000ПЗ. -В.,1989.-5.-1.

61. Каатвшвц В.Н., Мардосевкч Е.Я., Зриман И.А. Анализ случайных процессов осцшшографическкии методами // Техника средств связи. Сер. FT. ,1989.-8.-9.

62. Казимянец В.Н. Осциллогрефические системы с цифровой обработкой изображений - новый класс информационно-измерительной аппаратуры // Тез. докл. всесоэзной м.т.к. "Автоматизированные системы обработки изображений". -Л.,1989.-1.

63. Казимянец В.Н., Щрдосезич Е.Я., йриыаи И.А. Анализ случайных процессов осциллографичесяши методами // Техника средств связи. Сер. РТ. -М.,1989.-7.-7.

64. Денбновецкий С.Н., Денисов A.S., Казимянец В.Н. Орлов И.И. Запоминающие электронио-лучовыз осциллографа. -И.: Радио и связь, 1990.