автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.01, диссертация на тему:Разработка и анализ компьютерных алгоритмов обработки одночастичных сигналов лазерных доплеровских анемометров

На правах рукописи

\

Гречихин Вячеслав Александрович

РАЗРАБОТКА И АНАЛИЗ КОМПЬЮТЕРНЫХ АЛГОРИТМОВ ОБРАБОТКИ ОДНОЧАСТИЧНЫХ СИГНАЛОВ ЛАЗЕРНЫХ ДОПЛЕРОВСКИХ АНЕМОМЕТРОВ

Специальность 05.12.01 (теоретические основы радиотехники)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1996 год

Работа выполнена на кафедре Основ радиотехники Московского энергетического института

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор Ринкевичюс B.C.

1

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Васильев Д.В.

кандидат физико-математических наук, ст.науч.сотр. Приеэжев A.B.

Ведущее предприятие: МНИИ "Агат"

Злщита состоится Стрелу 1996г. в 15 час. 00 мин.

в аудитории Д-402, на заседании диссертационного Совета К 053.16.13 Московского энергетического института по адресу: г.Москва, ул.Красноказарменная, д.17.

Отзыв, заверенный печатью, просим присылать по адресу: 111250, Москва, Е-250, Красноказарменная ул., д. 14, Ученый Совет МЭИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ.

Автореферат разослан

.¿С.

1 1996Г.

Ученый секретарь диссертационного Совета доцент, кандидат технических наук

Курочкина Т.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Для высокоточного измерения локальных скоростей потоков жидкостей или газов в настоящее время широко используются бесконтактные оптические методы, основанные на регистрации интенсивности излучения, рассеянного оптическими не-однородностями потока при просвечивании исследуемой области одним или несколькими лазерными пучками. Приборы, используемые для измерений скорости рассеивающих частиц в потоке и известные как лазерные доплеровские анемометры (ЛДА), состоят из оптико-механического блока и электронного процессора, т.е. электронной системы обработки выходных сигналов фотоприемника схемы ЛДА. Традиционными являются электронные процессоры на базе анализатора спектра, фотонного коррелятора, следящих систем фазовой и частотной автоподстройки, а также счетно-импульсных частотных демодуляторов.

Современные типы электронных процессоров, разработанные с конца 80-х годов до настоящего времени фирмами TSX (США), Dan-tec (Дания), Aerometrics Inc.(США), представляют собой быстродействующие специализированные микроэвм, стоимость которых достигает сотен тысяч долларов. Данные устройства используют цифровые алгоритмы обработки доплеровского сигнала, основанные на анализе его дискретной выборочной автокорреляционной функции (коррелограммы) или дискретного выборочного спектра (периодограммы) и адаптируемые к параметрам принимаемой смеси сигнала и шума. В то же время, в зарубежной и отечественной литературе приводятся лишь отрывочные сведения о характеристиках используемых на практике алгоритмов обработки. Это относится, в частности, к вопросам оптимальности режимов проведения измерений и к оценке погрешностей.

Анализ современного состояния зарубежной и отечественной лазерной анемометрии показывает, что на сегодняшний день актуальной задачей остается создание образцовых ЛДА, у которых предельная погрешность измерений скорости не превышает 0.1+0.3 X. Быстрый прогресс в развитии средств вычислительной техники открыл возможность реализации сравнительно дешевых электронных процессоров ЛДА в виде блока функциональных модулей, связанных с персональным компьютером. В связи с этим задача разработки и

анализа компьютерных алгоритмов обработки одночастичных сигналов ЛДА является на сегодня важной и актуальной.

Цель работы. Основными целями настоящей работы являются:

- разработка цифровых алгоритмов оценки частоты одночастичных сигналов ЛДА компьютерным электронным процессором;

- анализ погрешностей оценки частоты сигналов ЛДА при использовании разработанных алгоритмов;

- оптимизация параметров элементов ЛДА с цифровой обработкой доплеровских сигналов.

Научная новизна работы. В работе получен ряд новых результатов, связанных с разработкой и оптимизацией цифровых алгоритмов оценки частоты сигналов ЛДА и расчетом статистических характеристик их погрешностей. На защиту выносятся:

1.Рациональная модель одночастичного доплеровского сигнала в виде нестационарного гауссова случайного процесса и результаты оценки параметров данной модели с учетом шумов лазера и фотоприемника, а также с учетом влияния блока предварительной фильтрации.

2.Алгоритм оптимальной по критерию максимума функции правдоподобия оценки частоты одночастичных сигналов ЛДА с учетом нестационарности шума.

3.Алгоритм обработки одночастичных сигналов ЛДА с использованием цифрового преобразования Гильберта.

4.Результаты анализа следующих компьютерных алгоритмов оценки частоты одночастичных сигналов ЛДА: - -

- алгоритм цифрового спектрального анализа с использованием дискретного преобразования Фурье,

- алгоритм дискретного счета (метод счета "нулей"),

- алгоритм с использованием преобразования Гильберта.

5.Методика и результаты расчета статистических характеристик погрешностей измерений частоты одночастичного сигнала ЛДА при использовании вышеуказанных алгоритмов обработки.

Практическая ценность работы. Создан пакет прикладных программ, реализующих разработанные компьютерные алгоритмы обработки одночастичных сигналов ЛДА, функционирующий в операционной оболочке Windows 3.1. Данный программный пакет был использован при исследовании статистических характеристик погрешностей алгоритмов методом численного моделирования и для изме-

рений параметров реальных доплеровских сигналов, введенных в персональную ЭВМ при помощи интерфейса. Результаты анализа влияния режима проведения измерений на погрешность позволили оптимизировать процесс измерений по критерии минимума предельной погрешности.

Проведены измерения периода интерференционного поля в пределах измерительного объема ЛДА и разработана методика оценки их погрешности.

Проведен анализ погрешности оценки частоты одночастичного сигнала ЛДА с использованием разработанных компьютерных алгоритмов для случая рассеяния на частицах большого радиуса.

Достоверность полученных результатов. При разработке и оценке параметров модели одночастичного сигнала ЛДА проводились сравнение характеристик ее элементов с литературными данными и экспериментальные исследования, подтверждающие ее достоверность. Для проварки работоспособности алгоритмов оценки частоты исследуемых сигналов использовалось численное моделирование, а также экспериментальные исследования с применением источника эталонных сигналов - электронного имитатора - и компьютерного электронного процессора. Правильность полученных оценок погрешностей разработанных алгоритмов подтверждается их сравненном с результатами численного моделирования, а также результатами расчета нижней границы дисперсии оценок. Достоверность результатов измерений пространственного периода интерференционного поля, полученных разными методами, подтверждается их сравнением между собой.

Публикации и апробация результатов. Данная работа выполнялась в рамках межвузовской научно-технической программы "Физика лазеров и лазерные системы", по которой выпущено 3 отчета. Основные результаты работы изложены в 9 публикациях, а также до-пожены на I НТК "Состояние и проблемы технических измерений" (1994г., г.Москва), III Межгосударственной НТК "Оптические методы исследования потоков" (1995г., г.Москва), Международной iTK "Проблемы радиоэлектроники" (1995г., г. Москва), Международной конференции по технологическим лазерам и их применению [CLA-95 (1995г., г.Шатура), НТК "Физико-химические проблемы »кологии энергоустановок на углеводородных топливах" (1995г., ■•Москва), а также на научных семинарах кафедры Основ радиотех-

ники МЭИ.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа содержит 194 машинописных страниц, включая 38 стр. рисунков, 7 стр. списка литературы из 63 наименований и 24 стр. приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении содержатся обоснование актуальности и постановка задачи разработки и анализа цифровых алгоритмов обработки одночастичных сигналов ЛДА компьютерным электронным процессором. Введены ограничения на тип используемой оптической схемы анемометра (дифференциальная .двухпучковая схема) и вид обрабатываемого сигнала (одночастичный импульсный сигнал). Выбрана математическая модель сигнала и определен его информаци-

онный параметр Га^их/Л (доплеровский сдвиг частоты):

"я [1+Мсоз(2ЯГт1+ 27Гих 1/Л+Р) ]ехр( - (их Ь/ча )*" ) , (1)

где и0 - среднее значение сигнала в центре импульса, М - индекс амплитудной модуляции,

- разность частот интерферирующих пучков, и„ - измеряемая проекция вектора скорости частицы, Л - период интерференционной картины, (5 - случайная начальная фаза, и0 - эффективный радиус измерительного объема. Вид одночастичного сигнала ЛДА с указанием его характерных параметров приведен на рис.1. Типичные значения пространственно-временных параметров сигнала находятся в пределах: Гт=1+40 МГц, Д=1^50 мкм, их =0.001М00 м/с, 1«Г0=20^100 мкм.

Проведен анализ современных типов электронных процессоров ЛДА, использующих цифровые алгоритмы обработки доплеровских сигналов. Показано, что в настоящее время наиболее перспективными методами измерения частоты доплеровских колебаний являются цифровые методы. При этом первичная обработка сигнала в реальном масштабе времени осуществляется при помощи специализированных процессоров, а в качестве устройства вторичной обработки, накопления и отображения информации используется персональная ЭВМ. При цифровой обработке сигналов ЛДА на практике обычно ис-

Вид одночастичного сигнала ЛДА

а) компьютерная модель

б) реальный сигнал

Рис. 1

пользуются следующие основные методы:

- цифровой спектральный анализ,

- цифровой корреляционный анализ,

- метод дискретного счета (метод счета "нулей").

Отмечено, что обобщение понятий огибающей, полной фазы и

частоты на случай произвольного сигнала дается в теории аналитических сигналов с привлечением преобразования Гильберта. В случае узкополосных сигналов определенная данным методом частота совпадает с центральной частотой их спектра и может быть использована в качестве оценки частоты доплеровских колебаний.

Показано, что при стабильной и точно известной разности частот интерферирующих пучков относительная погрешность оценки скорости рассеивающей _частицы определяется выражением

бц = бл + -

5,,

(2)

|1 ±

•де 5л - погрешность определения пространственного периода интерференционного поля, 5Гз - погрешность измерения доплеровской 1астоты принимаемого сигнала .

Предел допускаемой погрешности измерений доплеровской частоты 6Га является одной из важнейших метрологических характеристик электронных процессоров ЛДА. для его минимизации требуется оптимальным образом выбирать структуру и параметры электронного процессора, алгоритм оценивания и режимы проведения измерений. Анализ влияния указанных факторов на погрешность измерений частоты удобно проводить на обобщенной компьютерной модели цифрового электронного процессора, включающей в себя основные функциональные блоки реальных измерительных систем. В то же время, при аппаратной реализации аналоговой части такой модели и компьютерной реализации цифровых алгоритмов обработки введенной в ЭВМ последовательности отсчетов, можно получить компьютерный электронный процессор, способный обрабатывать реальные доплеровские сигналы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований, проведенных на данной модели, могут быть использованы при создании промышленных ЛДА, работающих в реальном масштабе времени.

Структурная схема компьютерного электронного процессора ЛДА изображена на рис.2.

Структурная схема компьютерного электронного процессора ЛДА

Входной сигнал с фотоприемника

1 5

2 3

Сигнал дискретизации

1 - блок предварительной фильтрации 3

2 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 4

5 - пакет прикладных программ.

интерфейс связи ЭВМ

Рис.2

В заключительной части введения изложено краткое содержание основных разделов работы и содержится перечень ее основных

задач, которыми являются:

- разработка цифровых алгоритмов оценки параметров одночастич-ных сигналов ДДЛ компьютерным электронным процессором;

- анализ погрепностей оценки параметров одночастичных сигналов ЛДА при использовании разработанных алгоритмов;

- оптимизация параметров элементов ЛДА с цифровой обработкой одночастичных доплеровских сигналов.

В первой главе на основании обзора литературы и результатов анализа статистических характеристик шума на входе электронного процессора схемы ЛДА проведена разработка рациональной модели одночастичного доплеровского сигнала с учетом влияния параметров и шумов реального лазера, оптической схемы анемометра, фотоприемника, схемы предварительной фильтрации и АЦП.

Показано, что моделью попадающего на фотоприемник излучения может служить нестационарный пуассоновский поток фотонов, интенсивность которого распределена по гауссову закону. Спектральная плотность интенсивности помимо подъема в области низких частот может иметь дискретные составляющие на гармониках промышленной и звуковой частоты. Показано, что при уровне падающей на фотокатод ФЭУ оптической мощности не менее 10"10 Вт напряжение и(1:) одночастичного сигнала ЛДА на анодной нагрузке ФЭУ можно приближенно считать непрерывным гауссовым нестационарным случайным процессом со средним значением

из (Ъ)=и30[1+Мсо5(2Ига1±2Яи^/Л+Р)]ехр{-(их^0 )2 ) (3)

и дисперсией

бц2 (Ь)=био2 [1+ИСОЗ (2Мт 2Жих ^Л+Р) ] ехр (- (их Ь/и0 )2 ) , ( 4 ) где и30 и 6ио2 - амплитуды низкочастотной компоненты выходного напряжения и его дисперсии, являющиеся гауссовыми случайными величинами. Такой процесс удобно представить в виде суммы сигнальной и шумовой составляющих:

и(1) = и3(Ъ)+Ет, первая из которых определяется выражением (3), а вторая является нестационарным гауссовым процессом с нулевым средним значением и дисперсией," определяемой выражением (4). Расчетным и экспериментальным путем установлено, что при указанном уровне мощности основной вклад в шумовую составляющую напряжения и^) анодной нагрузки ФЭУ вносит нестационарный дробовой шум, дисперсия которого изменяется пропорционально среднему значению

напряжения. При этом аддитивными компонентами теплового шума, шума темнового тока и фликкер-шума в области значений допле-ровских частот свыше О-б-Н кГц можно пренебречь. Эксперименты по измерению спектральной плотности мощности и закона распределения выходного напряжения ФЭУ подтвердили результаты расчетов и позволили выбрать подходящие для ЛДА типы Не-Ие и Аг лазеров.

Методом численного моделирования проведены расчеты статистических характеристик смеси сигнала ЛДА (1) и дробового шума на выходе блока предварительной фильтрации в предположении, что мгновенная спектральная плотность мощности входного шума равномерна в полосе частот. Результаты моделирования показали, что для используемых на практике полосовых фильтров зависимость дисперсии шума на выходе фильтра от времени носит колебательный характер, хотя и с заметно меньшим индексом модуляции, чем на входе. Время корреляции выходного шума составляет при этом десятые доли периода доплеровских колебаний, вследствие чего отсчеты процесса на входе АЦП нельзя считать независимыми в случае, когда их число на периоде Т3=1/Г3 превышает 5-^10.

Во второй главе приведены результаты анализа потенциальной точности оценки доплеровской частоты одночастичного сигнала ЛДА с использованием неравенства Рао-Крамера, а также результаты синтеза алгоритмов оптимального оценивания по методу максимума правдоподобия при дискретной выборке данных для случая нестационарной помехи. В качестве модели сигнала на выходе схемы предварительной фильтрации с большим коэффициентом перекрытия по частоте используется радиоимпульс с гауссовой формой огибающей ия(г,г) = и0соз[Ш3(1:-10)-ир]ехр<-аг(^0)г), (5)

где и0 - амплитуда радиоимпульса,

Шя - частота доплеровских колебаний,

^ - момент времени, соответствующий центру импульса, ф - случайная начальная фаза доплеровских колебаний, а = их/и0 - параметр, определяющий эффективную ширину спектра доплеровского сигнала и обратно пропорциональный его эффективной длительности Тп = 2и0/их. С использованием известной методики расчета функции правдоподобия дискретной выборки независимых отсчетов получены в общем виде выражения для элементов информационной матрицы Фишера

[Л

Д(и0,и0) З(и0^0) а(и0 ,ф) й(и 0,сс) а(и0,ш3)

ли0,и0) а(ъ0,ф) а(10,а) ,ш3)

л(Ф,и0) а(ФЛо) ;>(Ф,Ф> л(Ф.а) а(ф,ш3)

о<а,и0) о(ал0) э(й,<Р) з(а,а) з(а,ш3)

З(0)д,и0) а(0)3ло) З(ш3,ф) Л(0)3,а) 0(а)3 ,ш3)

а затем проведены численные расчеты элементов корреляционной матрицы ошибок несмещенных совместных оценок параметров сигнала (5). Получены зависимости нижней границы дисперсии оценки доп-леровской частоты Ш3 от отношения сигнал-шум ц=и0/б при различных значениях параметров сигнала (рис.3), а также от числа отсчетов о на периоде доплеровских колебаний и от смещения центра импульса ЛДА относительно центра интервала наблюдения.

Синтез алгоритмов реализации ОМП показал, что в тех случаях, когда дисперсия нестационарного шума на выходе блока предварительной фильтрации пропорциональна огибающей импульса фототока, оптимальным является алгоритм спектральной оценки:

Ш

агдтах{ / [Д со5(Ш3 Ц )1 * + ГД ^ з1п(Ш3 Ц )]' (Ш3 ) 11 -1 2

(6)

где и,» ) - отсчеты мгновенных значений смеси сигнала и шу-

ма. Для тех случаев, когда дисперсия шума на выходе схемы предварительной фильтрации пропорциональна мгновенным значениям выходного сигнала, алгоритм оценки частоты Ш3 при известных значениях неинформационных параметров сигнала имеет вид:

Ш3 =агдпип(£ (Ш.) 111

[ и^ -из | (Ш3)Г

+ 1п

из1 (0)э )+А

к [и31(Шэ)+А

).

(7)

где и, ■ Ч(Ц )-отсчеты мгновенных значений смеси сигнала и шума, из1(Ц?) " мгновенное значение сигнала (5) в момент ,

М

-мгновенное значение огибающей сигнала (5) в момент t=t

к - размерная константа, определяемая для фогодетектора типа ФЭУ формулой:

к

/ геМфДг ,

где е - заряд электрона, Мф- коэффициент усиления ФЭУ по току, Дг- ширина полосы пропускания блока предварительной фильтрации. Показано, что алгоритм (7) при указанных условиях обеспечивает

более высокую точность оценки по сравнению с алгоритмом (6).

В третьей главе приведены результаты разработки и анализа погрешностей цифровых алгоритмов оценки частоты одночастичных сигналов ЛДА компьютерным электронным процессором. Исследовано три алгоритма обработки дискретной выборки из N отсчетов допле-ровского сигнала (1), следующих с интервалом дискретизации Т0, и проведено их сравнение. Здесь же изложены рекомендации по выбору оптимальных значений параметров схемы анемометра и режимов проведения измерений. Показано, что при использовании алгоритма цифрового спектрального анализа (ЦСА) оценка частоты, соответствующая максимуму модуля огибающей дискретного спектра сигнала (1) для случая его гауссовой аппроксимации, имеет вид: --

г тсэ, /эз) т = ко--;- \й/гя, (8)

1 г^^/Б^з) -1

где й=2К/ИТ0 - интервал дискретизации спектра по частоте при расчете дискретного преобразования Фурье (ДПФ),

г0 - номер максимального по модулю отсчета дискретного спектра сигнала в окрестности частоты ^,

Б, «^(ГоЙ-Й) | , 32 = |Б(г0й) | , = | Б (г0й+й) | - модули коэффициентов ДПФ выборки Б(гй) с номерами г0-1 , г„ и г0+1.

Получено соотношение для расчета верхнего и нижнего пределов относительной погрешности оценки (8), которое имеет вид:

5f3- (5п+5гг+бгз) ± [ 5Го ♦ '' _ 1. (91

I- п Ы- 1/М J

3 р.;

ч нт

где бг1,бгг и бгз - составляющие методической погрешности измерений, связанные с фильтрацией, дискретизацией и недостаточной уэкополосностью сигнала (1);

Я - отношение сигнал-шум в центре импульса; N7 - число периодов доплеровской частоты в пределах эффективной длительности сигнала (1) Тп= 2ы0/их ;

1- пи, ш0

Ds = у (Л/64)- ¡^ - безразмерный коэффициент, за-

[Tn/(NT0 ) ]2

висящий от взаимного соотношения модулей трех центральных коэф-

фициентов ДПФ:

Згвз^Ог/Эз)^! 33 1x1(3! /531+5! зг1п(зг/3! ) 3! 328З[1п(32/31 )+1п(32/33 )]

На рис.4 приведены графики зависимости относительной предельной погрешности оценки (9) от числа отсчетов а на периоде допле-ровских колебаний, полученные методом численного моделирования и расчетным путем. Там же для сравнения приведена нижняя граница предельной погрешности, определяемая неравенством Рао-Крамера. Анализ приведенных графиков показывает, что результаты моделирования в широком диапазоне изменения значений а хорошо совпадают с результатами расчета.

Результаты анализа метода дискретного счета (МДС) показали, что оценка периода Т„» 1определяется из соотношения

Т3 = тТ0 + И , (10)

где т - число отсчетов в интервале между двумя соседними моментами перехода через нулевой уровень снизу вверх ("нулей") сигнала и(г) на выходе схемы предварительной фильтрации, а Ь -

Граничные оценки дисперсии Погрешность метода ЦСА

случайной погрешности

поправочная величина, определяемая в линейном приближении по известным координатам двух соседних "нулей" :

г | и(кТ0 +шт0 > | | и (кт0 ) | п

ь =То ---------------------- --------- ... .

| и(кт0 +иТ0 ) | + |и(кТ0 +шТ0 +Т0 ) | |и(кТ0)| + | и(кТ0 +Т0 ) |

Выражение для расчета верхнего и нижнего пределов относительной погрешности оценки периода Та имеет вид:

Л(, Л„ Л„

6Тз = 6П ± (5То + - +--+ — ). (И)

27Ш Ли Т3

где , Д,, и Да представляют собой соответственно пределы абсолютных погрешностей отйчетных значений сигнала, связанные с его квантованием, наличием шума и линейной аппроксимацией в окрестностях каждого из "нулей", а и 6То - относительные предель ные' погрешности, обусловленные фильтрацией сигнала и нестабильностью частоты дискретизации.

Графики зависимости относительной предельной погрешности оценки (10) от числа отсчетов т на периоде доплеровских колебаний, полученные методом численного моделирования и расчетным путем, приведены на рис.5. Там же приведена нижняя граница предельной погрешности, определяемая неравенством Рао-Крамера. Расчетная погрешность МДС хорошо совпадает с результатом моделирования при 3<тп<60. При т>60 на погрешность метода начинают влиять аномальные ошибки, которые не учитывались при расчете.

Разработан цифровой алгоритм и исследованы характеристики метода оценки мгновенного и среднего значения частоты сигналов ЛДА с использованием цифрового преобразования Гильберта (ЦПГ). Согласно данному методу мгновенная частота сигнала и(1) на выходе схемы предварительной фильтрации

ит=иосоз[Шз (М+Р]ехр(-(их1:/и0 )2 ) определяется формулой <1

Ш3(1) = {агс!д[и(Ъ)/и() ]) . (12)

где и^)- сопряженный по Гильберту сигнал, отсчеты которого находятся спектральным методом. Отсчеты частоты Ш3(кТ0) сигнала, рассчитанные в соответствии с (12), могут служить оценками ее мгновенных значений. Показано, что смещение и дисперсия таких

Рис.5 Рис.6

оценок связаны с недостаточной узкополосностью сигнала U(t), наличием аддитивного шума, а также погрешностями за счет цифровой реализации метода. На рис.6 приведены графики зависимости относительной предельной погрешности оценки (12) от числа отсчетов п на периоде доплеровских колебаний, полученные методом численного моделирования и расчетным путем. Там же приведена нижняя граница предельной погрешности, определяемая неравенством Рао-Крамера. Достоинством алгоритма оценки параметров доп-леровского сигнала с использованием цифрового преобразования Гильберта является то, что он позволяет получить информацию о мгновенных значениях частоты fs при предельно малом числе отсчетов на периоде доплеровских колебаний.

Рассмотренные выше цифровые алгоритмы оценки доплеровской частоты сигналов ЛДА были реализованы в виде пакета прикладных программ, работающего в операционной оболочке Windows 3.1. Распечатка экрана персонального компьютера при работе с пакетом изображена на рис.7. Приведены результаты тестирования компьютерного электронного процессора ЛДА в комплексе с разработанным программным обеспечением, проведенного при помощи специально разработанного источника эталонных оптических сигналов, ко-

Интерфейс пользователя пакета прикладных программ

нш,|||.!Ш1««ИИИ1В11а.ш.1!1ИИ

У

/

/

Центрирован?-

т

и ю ш

тшшктшт

щ

J 11

овд те №

г

'т

М Ш II ш ш

1

№

ц

РИС.7

торое показало работоспособность устройства и подтвердило его высокие точностные характеристики.

В четвертой главе приведены результаты практического использования компьютерного электронного процессора ЛДА и цифровых алгоритмов анализа одночастичных доплеровских сигналов для решения задач, связанных с повышением точности измерений и исследованием влияния параметров частиц на характеристики рассеянного излучения. Рассмотрены экспериментальная установка на базе вращающегося диска с укрепленным на его краю нитевидным рассеи-вателем и методика проведения измерений пространственного периода интерференционного поля А в области измерительного объема ЛДА. Получено соотношение, согласно которому предельная погрешность измерений пространственного периода Л определяется погрешностями измерений частоты доплеровского сигнала ^ и угловой скорости вращения диска, а также погрешностями калибровки радиуса вращения рассеивателя и угла между вектором скорости и его

ш

«I ш

НИИ

измеряемой проекцией.-Приведены-результэты измерений пространственного периода для нескольких типов волоконно-оптических датчиков. Вид сигнала, снимаемого с датчика, и график зависимости среднего значения периода от координаты входа рассеивателя в область измерительного объема изображены на рис.8 и рис.9.

Рассмотрена модель одночастичного сигнала ЛДА, образующегося при рассеянии зондирующего излучения частицами большого радиуса. Приведены результаты обработки таких сигналов при помощи созданного пакета прикладных программ. Показано, что данные сигналы имеют сложную структуру спектра, в связи с чем использование обычных алгоритмов оценки частоты приводит к значительным погрешностям. Отмечено, что применение алгоритма цифрового преобразования Гильберта позволяет обнаружить перескоки фазы высокочастотного заполнения у данного типа сигналов, что может быть использовано для адаптации алгоритмов обработки.

В заключении приведен краткий обзор основных результатов и общие выводы по проделанной работе.

Сигнал с волоконно-оптического Распределение пространственного датчика скорости периода интерференционного поля

вдоль измерительного объема ЛДА

Рис. 8

Рис. 9

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Основными задачами, решенными в рамках настоящей работы, являются:

- разработка рациональной модели одночастичного доплеровского сигнала ЛДА в виде аддитивной смеси сигнальной и нестационарной шумовой составляющих;

- расчет нижней границы дисперсии оценки среднего значения частоты одночастичного сигнала ЛДА на основе неравенства Рао-Крамера и исследование ее зависимости от параметров смеси сигнала и шума;

- разработка алгоритма оптимальной оценки доплеровской частоты одночастичного сигнала ЛДА по методу максимума правдоподобия при дискретной выборке данных для случая нестационарной помехи;

- разработка цифровых алгоритмов оценки частоты одночастичных сигналов ЛДА и создание пакета прикладных программ для компьютерного электронного процессора ;

- анализ погрешностей оценки частоты одночастичных сигналов ЛДА при использовании разработанных алгоритмов;

- оптимизация параметров элементов ЛДА с цифровой обработкой доплеровских сигналов;

- разработка методики оценки погрешности измерений величины пространственного периода интерференционного поля в пределах области измерительного объема ЛДА;

- цифровая обработка результатов измерений пространственного периода для нескольких типов волоконно-оптических датчиков;

- анализ "тонкой" структуры доплеровских сигналов, образованных при рассеянии зондирующего излучения "большими" частицами.

В ходе выполнения данной работы реализован компьютерный электронный процессор ЛДА на базе цифрового осциллографа С9-8 и персональной ЭВМ IBM PC 386. Разработанный пакет прикладных программ, функционирующий в операционной оболочке Windows 3.1, используется для обработки сигналов при исследовании турбулентного пограничного слоя около модели судна, двухфазной воздушно-водяной струи, а также для определения масштабного коэффициента волоконно-оптических доплеровских датчиков скорости.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Гречихин В.А., Ринкевичюс Б.С. Погрешности цифровых методов измерения частоты одночастичного сигнала ЛДА // Измерительная техника. 1993. NilO. С.43-46.

2. Гречихин В.А., Ринкевичюс B.C., Степанов A.B., Толкачев A.B. Метод и аппаратура для прецизионных иэнерений пространственного периода интерференционного поля / Тезисы докл. I НТК "Состояние и проблемы технических измерений", 22-24 ноября 1994г., Г.Москва, Иэд-во МГТУ, 1994, С.26-27.

3. Буренков D.А.,Гречихин В.А..Ринкевичюс Б.С. Анализ погрешностей цифровых алгоритмов измерения частоты сигнала ЛДА методом численного моделирования // Измерительная техника. 1995. N 7. С.36-38.

4. Гречихин В.А. Оценка полной фазы уэкополосного сигнала с использованием цифрового преобразования Гильберта / Тезисы докл. Международной НТК "Проблемы радиоэлектроники", Москва, 19-21 апреля 1995г.,"Магистр" (приложение к газете "Энергетик")^ 2, апрель 1995г., с.3-4.

5. Гречихин В.А., Сегень A.B. Исследование точностных характеристик электронного процессора ЛДА при помощи имитатора сигнала / Тезисы докл. III Межгосударственной НТК "Оптические методы исследования потоков", 21-23 июня 1995г., Москва, Иэд-во МЭИ, 1995г., с.26-27.

6. Гречихин В.А. Анализ компьютерных алгоритмов обработки сигналов ЛДА / Тезисы докл. III Межгосударственной НТК "Оптические методы исследования потоков", 21-23 июня 1995г., Москва, Изд-во МЭИ, 1995г., с.23-25.

7.Гречихин В.А., Ринкевичюс Б.С., Степанов A.B., Толкачев A.B. Волоконно-оптические датчики скорости потока /Тезисы докладов Международной конференции по технологическим лазерам и их применению ICLA-95. Шатура: НИТЦЛАН. 1995.

8. Гречихин В.А., Ринкевичюс Б.С., Степанов A.B., Толкачев A.B. Волоконно-оптический ЛДА с цифровой обработкой сигнала/ Тезисы докл. НТК "Физико-химические проблемы экологии энергоустановок на углеводородных топливах", Россия, Москва,21-23 ноября 1995г., секция 4, с.1.

9. Баэилевский Ю.С.,Чичерин И.А.,Гречихин В.А.,Жуков В.П., Ринкевичюс B.C. Использование программы спектрального анализа сигнала ЛДА для определения характеристик турбулентного пограничного слоя схематизированной модели судна / Тезисы докл. III Межгосударственной НТК "Оптические методы исследования потоков", 21-23 июня 1995г., Москва, Изд-во МЭИ, 1995г., с.6-8.

Л-

Тираж №

Подписано к печати Печ.л. as

Типография МЭИ, Красноказарменная,13

Заказ №Ц