автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Селективное возбуждение и фильтрация сигналов в электромагнитных системах поиска и контроля

СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕЛАКСАЦИОННОГО СПЕКТРА СИГНАЛОВ И ВЫБОР МОДЕЛИ

СРЕДЫ И НЕОДНОРОДНОСТЕЙ В НЕЙ.

1.1. Постановка задачи.

1.2. Определение релаксационного спектра сигналов.

1.3. Модель среды и неоднородностей в ней.

2. СЕЛЕКТИВНЫЕ СВОЙСТВА ЗОНДИРУЮЩИХ

СИГНАЛОВ.

2.1. Постановка задачи.

2.2. Синтез зондирующих сигналов, подавляющих одиночную экспоненту.

2.3. Синтез зондирующих сигналов, подавляющих несколько экспонент.

2.4. Функция селективности зондирующих сигналов по постоянной затухания.

2.5. Селективные свойства зондирующих сигналов, применяющихся в задачах поиска.

3. СЕЛЕКТИВНЫЕ СВОЙСТВА ЛИНЕЙНЫХ ФИЛЬТРОВ И ИХ СВЯЗЬ С УСТОЙЧИВОСТЬЮ

К ФЛУКТУАЦИОННЫМ ПОМЕХАМ.

3.1. Постановка задачи.

3.2. Фильтры на основе обобщенного гетеродинирования

3.3. Селективные свойства фильтров, применяющихся в задачах поиска.

3.4. Фильтры, подавляющие несколько экспоненциальных синхронных помех.

3.5. Связь селективных свойств линейных фильтров с устойчивостью к флуктуационным помехам.

4. СЕЛЕКТИВНЫЕ СВОЙСТВА ПАРЫ ЗОНДИРУЮЩИЙ СИГНАЛ-ФИЛЬТР.

4.1. Постановка задачи.

4.2. Полосовая селекция.

4.3. Подавление экспоненциальных синхронных помех.

5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЗОНДИРУЮЩИХ СИГНАЛОВ, ФИЛЬТРОВ И ПАР ЗОНДИРУЮЩИЙ СИГНАЛ-ФИЛЬТР ПРИ СТАТИСТИЧЕСКОМ ХАРАКТЕРЕ СИНХРОННОЙ

ПОМЕХИ.:

5.1. Постановка задачи.

5.2. Амплитуда синхронной помехи на входе приемника.

5.3. Амплитуда синхронной помехи на выходе фильтра.

5.4. Амплитуда синхронной помехи на выходе системы.

ВЫВОДЫ.

Актуальность исследований. В радиотехнических системах извлечения информации о неоднородностях полупроводящих сред часто применяются импульсные электромагнитные сигналы без синусоидальной несущей, за счет чего обеспечиваются высокие тактико-технические характеристики поисковых средств. Области применения таких систем: электроразведка минеральных ресурсов, инженерная разведка местности, поиск затонувших судов и других объектов в морской воде, электромагнитный контроль производства алюминия, контроль пассажиров и багажа для безопасности полетов воздушных судов.

Физической основой работы импульсных электромагнитных систем (ИЭМС) поиска и контроля является возбуждение окружающей среды периодической последовательностью импульсов электромагнитного поля без несущей и регистрация затухающих сигналов вторичного поля, обусловленных переходными процессами в объектах поиска или контроля, а также в окружающей среде (синхронные помехи). Информационными параметрами откликов являются амплитуды и скорости спада. Второй из названных параметров (скорость спада) во многих случаях позволяет отличить полезные сигналы от синхронных помех (СП).

Специфической задачей является борьба с синхронными помехами, которые могут значительно превышать по амплитуде полезные сигналы. При этом не должна снижаться устойчивость к флуктуационным и другим помехам. Особенно остро эта проблема стоит 6 в малобазовых установках на подвижных носителях и в некоторых системах контроля, когда излучатели и приемники конструктивно совмещены или находятся вблизи друг от друга.

Импульсный режим работы, в отличие от непрерывного с гармоническим зондирующим сигналом (ЗС) и амплитудно-фазовыми измерениями, за счет разделения времени излучения и приема, дает лучшее разрешение слабых вторичных сигналов объектов поиска на фоне мощных ЗС и высокого уровня СП.

Исследования и разработки по этим проблемам проводятся рядом научных коллективов в нашей стране и за рубежом, их результаты реализованы в ряде образцов поисковой аппаратуры. В том числе: подавление синхронных помех двухполярными зондирующими сигналами, оптимальные и квазиоптимальные зондирующие сигналы, оптимальные и квазиоптимальные оценки скорости спада сигнала.

Имеется отличие в методах проектирования радиотехнических систем, использующих сигналы с синусоидальной несущей и без несущей. Для первых применяются два подхода: получение заданных селективных свойств (по гармоническим составляющим) и синтез оптимальных по различным критериям сигналов и приемников. Для вторых применяется в основном подход, основанный на синтезе оптимальных сигналов и приемников. Но практическая эксплуатация генераторов оптимальных сигналов и оптимальных приемников требует их частой перестройки, связанной с решением сложных математических задач, при изменении характеристик искомых объектов, среды, синхронных и несинхронных помех, а также оценок самих этих характеристик. В то же время, применение гармонического анализа для 7 построения селективных импульсных систем поиска затруднено тем, что спектры полезных сигналов, синхронных и несинхронных помех существенно перекрываются.

Ряд исследователей, в том числе М.И. Цема, А.Э. Вишняков, Г.Я. Шайдуров, В.В. Крылов, В.И. Юзов и др., обращают внимание на целесообразность селекции по вещественным постоянным затухания экспоненциальных функций. Полезные отклики и синхронные помехи часто описываются (точно или приближенно) одиночными экспонентами либо их конечными или бесконечными суммами. Однако обобщенные селектирующие функции по экспонентам исследованы недостаточно. Это связано, в частности, с тем, что экспоненты являются не ортогональными, а лишь линейно независимыми функциями. Не были исследованы вопросы: об условиях существования спектра по экспонентам (релаксационного спектра); о существовании и характере релаксационных спектров сигналов, являющихся иными, чем экспоненты, функциями времени; о взаимосвязи селективных свойств по экспонентам с устойчивостью к флуктуационным помехам; об описании зондирующих сигналов, адекватном представлению откликов по экспонентам. Это затрудняет решение задач построения селективных импульсных систем поиска. Следовательно, вопросы применения обобщенных селектирующих функций в названном базисе для решения задач возбуждения и фильтрации сигналов в импульсных электромагнитных системах поиска и контроля являются актуальными.

Цель диссертационной работы - исследование и разработка вопросов представления сигналов и синхронных помех в базисе 8 экспоненциальных функций с вещественными постоянными затухания, построения селективных по экспонентам импульсных систем поиска и контроля.

Задачи исследований 1. Исследовать вопросы существования релаксационного спектра сигналов и его определения.

2. - Оценить свойства зондирующих сигналов, селективно возбуждающих экспоненциальные отклики с различными постоянными затухания.

3. Исследовать селективные свойства линейных фильтров по постоянным затухания экспонент.

4. Найти взаимосвязь селективных свойств линейных фильтров с их устойчивостью к флуктуационным помехам.

5. Исследовать селективные свойства пар зондирующий сигнал -линейный фильтр по постоянным затухания экспонент.

6. Оценить возможности синтеза зондирующих сигналов и линейных фильтров по заданным селективным свойствам.

Научная новизна. Для импульсных электромагнитных систем поиска и контроля:

1. На основе преобразования Лапласа получено новое решение задачи определения релаксационного спектра сигнала, найдены условия существования релаксационного спектра, определены релаксационные спектры ряда сигналов, часто встречающихся на практике.

2. Дано математическое описание свойств зондирующих сигналов селективно возбуждающих экспоненциальные отклики с различными постоянными затухания. Решен ряд задач синтеза зондирующих сигналов по заданным селективным свойствам. 9

3. Дано математическое описание селективных свойств линейных фильтров по постоянным затухания экспонент. Решен ряд задач синтеза фильтров по заданным селективным свойствам.

4. Определена взаимосвязь селективных свойств линейных фильтров с их устойчивостью к флуктуационным помехам.

5. Исследованы селективные свойства пар зондирующий сигнал -линейный фильтр по постоянным затухания экспонент, с учетом устойчивости к флуктуациям синхронных помех.

6. Методами вычислительного моделирования проведено исследование селективных свойств по экспонентам некоторых практически применяющихся зондирующих сигналов и фильтров, пар зондирующий сигнал - фильтр, их устойчивости к флуктуационным помехам и к флуктуациям параметров синхронных помех.

На защиту выносятся

1. Решение задачи о нахождении релаксационного спектра сигнала и определение условий его существования на основе преобразования Лапласа.

2. Описание свойств зондирующих сигналов, селективно возбуждающих экспоненциальные отклики с различными постоянными затухания.

3. Исследование селективных свойств линейных фильтров по постоянным затухания входных экспоненциальных сигналов.

4. Решение задачи о связи селективных свойств синтезированного линейного фильтра с его устойчивостью к флуктуационным помехам.

5. Описание селективных свойств пар зондирующий сигнал

10 линейный фильтр по постоянным затухания экспонент.

6. Результаты исследования селективных свойств некоторых практически применяющихся зондирующих сигналов и фильтров, а также пар зондирующий сигнал - фильтр, анализ их устойчивости к флуктуационным помехам и к флуктуациям параметров синхронных помех, рекомендации по улучшению селективных свойств систем, использующих эти сигналы и фильтры.

Практическая значимость заключается в том, что полученные результаты позволяют:

1. Определять существование релаксационных спектров сигналов, находить их не только численными, но и аналитическими методами.

2. Формировать зондирующие сигналы, подавляющие экспоненциальные синхронные помехи с несколькими постоянными затухания, в их диапазоне, а также возбуждающие полезные отклики в диапазоне (полосе) постоянных затухания.

3. Осуществлять линейную фильтрацию (весовую обработку) смеси полезного сигнала и синхронных помех, при которой подавляются экспоненциальные синхронные помехи, описываемые экспоненциальным рядом с несколькими постоянными затухания, а также в диапазоне постоянных затухания.

4. Синтезировать линейные фильтры экспоненциальных сигналов с учетом их устойчивости к флуктуационным помехам.

5. Синтезировать пары зондирующий сигнал - фильтр, существенно более устойчивые к флуктуациям постоянных затухания синхронных помех, чем зондирующие сигналы и фильтры по отдельности.

11

6. Давать конкретные рекомендации по улучшению селективных свойств импульсных электромагнитных систем поиска и контроля, с учетом требований устойчивости к флуктуационным помехам и к флуктуациям синхронных помех.

Таким образом, показана целесообразность применения селектирующих обобщенных функций по экспонентам для совершенствования импульсных электромагнитных систем поиска и контроля, использующих сигналы без синусоидальной несущей.

Достоверность результатов подтверждается проверкой найденных решений и сделанных выводов на материале экспериментальных исследований кафедры радиотехнических систем КГТУ по разработке и испытаниям импульсных электромагнитных систем поиска и контроля.

Методы исследований. Использовались методы теории радиотехнических цепей и сигналов, теории обобщенных спектров, теории функций комплексного переменного, теории вероятностей и случайных процессов, теории интегральных преобразований Фурье и Лапласа, методы вычислительной математики, и др.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на XXXVII и XXXIX Всесоюзных научных сессиях НТО РЭС им А.С. Попова, посвященных Дню радио (г. Москва, 1982, 1984 гг.), III и IV Всесоюзных симпозиумах "Методы теории идентификации в задачах измерительной техники и метрологии" (г. Новосибирск, 1982, 1985 гг.), Всесоюзной научно-технической конференции "Применение сверхширокополосных сигналов в радиоэлектронике и геофизике" (г. Красноярск, 1991 г.), научно-технической конференции с

12 международным участием "Проблемы техники и технологий XXI века" (г. Красноярск, 1994 г.), Республиканской научно-технической конференции "Моделирование в задачах радиолокации и интроскопии неоднородных сред" (г. Свердловск, ныне Екатеринбург, 1983 г.), Юбилейной научно-технической конференции по радиоэлектронике, посвященной 50-летию радиотехнического факультета Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники (г. Томск, 2000 г.), ряде краевых научно-технических конференций.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 научных работ, в том числе в том числе 13 статей, 1 доклад, 6 тезисов докладов.

Работа выполнялась согласно планам научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ Центрального конструкторского бюро "Геофизика", г. Красноярск, хоздоговорных и госбюджетных научно- исследовательских и опытно-конструкторских работ Красноярского государственного технического университета (ранее - политехнического института).

Результаты исследований внедрены в Центральном конструкторском бюро "Геофизика", г. Красноярск, в опытно-конструкторских разработках и учебном процессе Красноярского государственного технического университета.

Личный вклад автора. Автору принадлежит постановка задач исследования, обоснование, формулировка и разработка всех положений, определяющих научную новизну и практическую значимость работы.

Объем и структура диссертации. Материалы диссертационных исследований представлены на 165 страницах основного текста, включающих 69 рисунков. Работа состоит из введения, 5 разделов, выводов, списка литературных источников 38 наименований.

ВЫВОДЫ

1. Получено решение задачи о релаксационном спектре на основе преобразования Лапласа, позволившее определить условия существования релаксационного спектра. Показано существование релаксационных спектров у сигналов и синхронных помех, встречающихся в задачах поиска. Предложен метод, позволяющий избежать погрешностей, связанных с многократным дифференцированием, для определения его релаксационного спектра на основе преобразования Лапласа.

2. Дано математическое описание свойств зондирующих сигналов селективно возбуждающих экспоненциальные отклики с различными постоянными затухания. Решен ряд задач синтеза зондирующих сигналов, в том числе подавляющих несколько экспонент, по заданным селективным свойствам.

3. Дано математическое описание селективных свойств линейных фильтров на основе обобщенного гетеродинирования по постоянным затухания экспонент. Решен ряд задач синтеза фильтров по заданным селективным свойствам.

4. Определена взаимосвязь селективных свойств линейных фильтров с их устойчивостью к флуктуационным помехам, даны рекомендации по выбору весовых функций.

5. Исследованы селективные свойства пар зондирующий сигнал -линейный фильтр по постоянным затухания экспонент, с учетом устойчивости к флуктуациям синхронных помех. Показано преимущество пар зондирующий сигнал-фильтр, по сравнению с отдельным применением селективных зондирующих сигналов или селективных фильтров,

159 состоящее в существенном (на 1-2 порядка) увеличении допустимых флуктуаций или допустимой неточности знания постоянных затухания синхронных помех.

Дальнейшие исследования и разработки по применению метода обобщенных селектирующих функций по экспонентам целесообразно посвятить синтезу селективных зондирующих сигналов, фильтров и пар зондирующий сигнал-фильтр по критериям максимального приближения функций селективности, экспоненциально-показательных характеристик и функций селекции к заданным, в том числе при ограничениях на энергию (норму) решения, а также распространению метода обобщенных селектирующих функций на экспоненциальные функции с комплексно-сопряженными постоянными затухания с применениями в задачах идентификации объектов и систем управления, измерения параметров электрических и радиотехнических цепей и др.

160

1. Шайдуров Г.Я. Импульсные электромагнитные системы поиска. -Красноярск: КГТУ, 1999. - 315 с.

2. Шайдуров Г.Я. Проблемы электромагнитной локации проводящих сред // Изв. вузов. Радиоэлектроника. 1977, т. 20. - № 1. С. 11-16.

3. Вишняков А.Э., Вишнякова К.А. Возбуждение и измерение полей в электроразведке. JL: Недра, 1974. - 129 с.

4. Громыко А.И., Шайдуров Г.Я. Автоматический контроль технологических параметров алюминиевых электролизеров. Красноярск: КГУ, 1984.-240 с.

5. Анализ сигналов по действительным экспонентам / А.А. Кочетков, В.В. Крылов, ДМ. Пономарев II АВТ. 1981. - № 4. - С. 73-77.

6. Кочетков А.А., Крылов В.В. Определение спектра сигналов по неортогональному экспоненциальному базису // Автометрия. 1983. - № 6. -С. 11-17.

7. А.с. 642662 СССР, МКИ G 01 V 3/10. Способ геоэлектроразведки рудных месторождений / Воронцов Ю.С., Шайдуров Г.Я.\ Краснояр. политехи, ин-т. № 2083392/18-25; Заявл. 16.12.74; Опубл. 15.01.79, Бюл. № 2. - 2 с.

8. Лихтциндер М.Я. Экспоненциальные моделирующие устройства в информационно-измерительных системах. М.: Энергия, 1971. - 88 с.

9. Цема М.И. Измерение и обработка параметров монотонно затухающих сигналов. К.: Наукова думка, 1988. - 120 с.

10. Харкевич А.А. Очерки общей теории связи. М.: Гостеортехиздат, 1955. - 266 с.161

11. Цема М.И. Исследование способов разделения экспоненциальных сигналов // Радиотехника. М., 1982. - 10 с. - Деп. в ЦНТИ "Информсвязь" 12.02.82, №111.

12. Галъченко А. А., Дедус Ф.Ф. Оценивание параметров экспоненциальных сигналов методом взвешенных моментов // Автометрия. 1983. - № 4. - С. 45-49.

13. Спетнер JI.M. Погрешности измерения спектра, возникающие вследствие конечной длительности реализации // Определение параметров случайных процессов. К., 1962. - С. 72-87.

14. Катковник В.Я. Непараметрическая идентификация и сглаживание данных. М. 1985. - 336 с.

15. Форсайт Дж и др. Машинные методы математических вычислений / Дж. Форсайт, М.Малъколъм, К.Моулер. М.: Мир, 1980. -280 с.

16. Рабинер Л., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов. М.: Мир, 1978. - 848 с.162

17. Эйдлин А.А., Козлов А.В. Некоторые вопросы определения динамических характеристик линейных объектов // Методы теории идентификации в задачах измерительной техники и метрологии: Тез. докл. III Всесоюз. симпоз. Новосибирск, 1982. - С. 144-146.

18. Эйдлин А.А., Козлов А.В. Применение селективных пробных сигналов в задачах идентификации // IV Всесоюз. симпоз. "Методы теории идентификации в задачах измерительной техники и метрологии": Тез. докл. Новосибирск, 1985. - С. 31-32.

19. Вопросы синтеза селективных по параметру систем. / А.А. Эйдлин, А.В. Козлов, С.Ю. Закожурников // Электронные и магнитные измерительные устройства: Межвуз. тематич. сб. науч. тр. / Омский политехи, ин-т; Отв. ред. Ю.В. Селезнев. Омск, 1984, - С. 27-32.

20. Эйдлин А.А., Козлов А.В. Релаксационно-селективные свойства импульсов // Измерение электрических и магнитных параметров Межвуз. тематич. сб. науч. тр. / Омский политехи, ин-т; Отв. ред. Ю.В. Селезнев. -Омск, 1986, С. 55-60.

21. Эйдлин А.А., Козлов А.В. Вопросы синтеза сигналов и фильтров импульсных геофизических систем // XXXIX Всесоюз. науч. сессия, посвящ. Дню Радио: Тез. докл. Ч. 2. / НТО РЭС им. А.С. Попова. М.: Радио и связь, 1984. - С. 61-62.

22. Эйдлин А.А., Козлов А.В. Некоторые проблемы повышения помехоустойчивости импульсных геофизических систем // XXXVII Всесоюз. науч. сессия, посвящ. Дню Радио: Тез. докл. Ч. 2. / НТО РЭС им. А.С. Попова. М.: Радио и связь, 1982. - С. 17.

23. Prost R., Goutte R. Perfomances of the method of linear systems identification by Mellin deconvolution // Int.J.Control, 1977, vol. 25, No 1, p. 39-51.

24. Zadeh L.A., Miller K.S. Fundamental aspects of linear multiplexing. // PIRE 40, 1952, p. 1091 1097.