Исследование процесса обработки сигналов в адаптивных антенных решетках классическим методом

В целом чувствительность достаточно высока, порядка 60 герц на 0,1 МПа, но существенная нелинейность и даже возможная смена ее знака при давлении порядка 0,5 -1,0 МПа осложняют пересчет частотного сигнала датчика в измеряемое давление. Смена знака и низкая чувствительность при малых давлениях обусловили нижний предел измерения давления в 2,0 МПа. Верхний предел работоспособности будет определяться механической прочностью конструкции и в первую очередь кольцевыми уплотнениями, примененными в конструкции датчика, и в принципе может быть увеличен до 100,0 МПа.

Для пересчета частотного сигнала датчика давления в атмосферы применены регрессионные модели в виде полиномов разных степеней. Так, принятая нами замена тарировочной кривой регрессионной моделью пятой степени вносит приведенную к верхнему пределу измерений погрешность максимум 0,5 % , а в среднем по диапазону до 40,0 МПа в два раза меньше.

Из сопоставления тарировок, полученных при разных температурах с перерывом во времени в четыре месяца, следует, что чувствительность меняется и от температуры, и от времени, в пределах +0,005 МПа. Причем при больших давлениях чувствительность практически не меняется.

Для чтения выполненных измерений ВИД-1 подключается к IBM PC через специальный модуль сопряжения к LPT порту. Так как тарировочные характеристики каждого экземпляра прибора индивидуальны, то и в драйвер модуля сопряжения для работы с данным экземпляром прибора для достоверности второго файла должны быть введены коэффициенты регрессионных моделей, построенных по тарировоч-ным данным этого прибора.

В настоящее время опытные экземпляры ВИД-1 прошли лабораторные и промысловые испытания. Прибор находится в стадии опытной эксплуатации.

Работа финансируется РФФИ, проект, 02-07-90479.

Литература

1. А.с.1183845 СССР.1983. Магнитоупругий датчик давления / А.Л. Видовский, Л.А. Видовский, А.В. Татаринов, В.П. Морозов, П.Т. Нечепуренко.

2. Видовский А.Л. Методика измерения давления и температуры в зацеменетированной части заколонного пространства скважины аппаратурой ЗИД-1. Краснодар, 1975. Ротапринт ВНИИКРнефти.

2 сентября 2003 г.

Кубанский государственный технологический университет

УДК 621.396

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ В АДАПТИВНЫХ АНТЕННЫХ РЕШЕТКАХ КЛАССИЧЕСКИМ МЕТОДОМ

© 2004 г. И.В. Вахненко, В.А. Велегура

Одним из приоритетных направлений развития радиотехнических систем, определяющих местоположение источников радиоизлучения, является повышение их угловой разрешающей способности. Исследования показывают [1], что для пеленгования источников в азимутальной плоскости приемная антенна должна иметь узконаправленную диаграмму с возможностью ее кругового вращения. Такой антенной [2] может быть кольцевая антенная решетка (АР) из ненаправленных излучателей.

В работе исследуется математическая модель процесса пеленгования нескольких источников путем классического метода обработки сигналов в АР.

Рассмотрим М-элементную АР, принимающую одновременно сигналы К источников. Выходной сигнал АР, осуществляющей взвешенное суммирование напряжений датчиков (элементов АР), может быть записан в виде

и

K

где Y (0 = £ SkUk ^) + N(t) - вектор сигналов на выхо-

k =1

дах элементов решетки; Sk - вектор-строка размерности 1 х М , элементы которой определяются соотношением Smk = ехр[-/'к (хтсоБфк + >^тфк)]; П (0 -функция, описывающая временную зависимость к-го сигнала; Ж = {^ь..., wM} - вектор-строка весовых коэффициентов; хт, ут - координаты т-го излучателя (т = 1, М); к = 2 п/Х - волновое число свободного пространства; X - длина волны; фк - угловое положение к-го (к = 1, К) источника сигнала; N (0 = {п (/), пм (0} - вектор-строка сигналов тепловых шумов в элементах решетки.

Возможность разделения некоррелированных сигналов, приходящих с различных направлений, определяется свойствами АР как пространственного фильтра. Это подтверждает вытекающее из (1) выражение для усредненной за период мощности сигнала на выходе АР

р = I2 \ик (г )2 + N тт |2. к=1 1 1 1

Здесь 8к Ж г - значение ДН в направлении к-го источника сигнала.

При классическом методе углового различения сигналов выбор элементов Vт для последующего взвешивания определяется формулой

= ат = еХР[ + У>ПФ0 )],

где ф0 - угловое положение главного максимума ДН в некоторый момент времени.

Анализ алгоритма селекции углового положения некоррелированных сигналов при использовании классического метода выбора весовых коэффициентов проведем на примере кольцевой АР из М=25 излучателей при одновременном приеме сигналов от К = 2 источников. Элементы АР расположены по окружности радиуса 2\ с шагом 0,5А. Временную зависимость ик (!) примем равной щ(() = Р1 собоЛ и и2(!) = Р2 бшоЛ, где Рь Р2 - мощности первого и второго источника сигналов соответственно. Тепловой шум моделируется последовательностью случайных чисел, распределенных по нормальному закону с нулевым математическим ожиданием и среднеквадратическим отклонением сш. Результаты исследований мощности сигнала на выходе АР в зависимости от углового положения главного лепестка ДН ф0 в секторе углов ф0 Е [0°, 90°] при различении двух некоррелированных источников сигналов приведены на рис. 1.

Рис. 1

Сплошная линия иллюстрирует селекцию двух сигналов равной мощности (Р1 = Р2), приходящих с направлений ф1 = 20° и ф2 = 80°, а пунктирная соответствует отношению мощности сигналов (Р1 / Р2 =5).

Увеличение разрешающей способности по углу может быть достигнуто путем формирования «нулей» ДН в направлениях источников [3], не попадающих в пределы её главного лепестка. Поскольку параметры принимаемых сигналов являются априорно неизвестными, то для формирования «нулей» ДН может быть применен адаптивный алгоритм Фроста с защитой главного максимума [4]. Вектор весовых коэффициентов в этом случае [5] определяется соотношением

Ж = (А*К~1АТ)-1 К"1 А .

Здесь Т, * - символы транспонирования и комплексного сопряжения; А - вектор-строка размерностью 1 х М, элементами которого являются числа ат; Я - ковариационная матрица сигналов размерностью

М х М.

Анализ результатов показывает, что при равных мощностях некоррелированных сигналов оба алгоритма обеспечивают их уверенное разрешение. Алгоритм обработки методом адаптации дает более высокую точность определения угловых координат источников, чем классический метод формирования вектора весовых коэффициентов. Кроме того, при методе адаптации, мощность сигналов на выходе АР, когда направления на источники сигналов не перекрываются главным лепестком ДН, равна мощности тепловых шумов. В то же время при применении классического метода мощность сигнала будет значительно выше из-за приема по боковым лепесткам. Это и приводит к снижению точности определения угловых координат источников сигналов равной мощности.

Наиболее наглядно данный эффект проявляется при различении сигналов разной мощности. В этом случае прием более мощного сигнала по боковым лепесткам ДН может приводить к «неразличению» менее мощного сигнала даже при направлении главного максимума на второй источник (см. кривые 1-3 на рис. 2).

Рис. 2

При использовании алгоритма на основе метода адаптации в пространственном спектре сохраняются два ярко выраженных пика, соответствующих направлению главного максимума ДН на источники сигналов (см. кривые 4-6 на рис. 2).

Выводы

1. Разработана математическая модель процесса обработки сигналов классическим методом в адаптивных антенных решетках.

2. Установлено, что при равных мощностях сигналов применение как классического алгоритма, так и алгоритма, построенного на основе методов адаптации с формированием «нулей» диаграммы направленности в направлениях помеховых источников, позволяет проводить различение по угловому положению некоррелированных сигналов.

3. При различных мощностях сигналов в случае использования классического алгоритма может наблюдаться эффект «неразличения» более слабого по мощности сигнала. В случае применения алгоритма на основе методов адаптации различение некоррелированных сигналов происходит независимо от соотношения их мощностей.

4. При использовании классического алгоритма с увеличением отношения сигнал/шум на входе элементов АР среднеквадратическое значение ошибки определения углового положения каждого из источников

Новочеркасский военный институт связи

стремится к постоянной величине, обусловленной смещением максимума пространственного спектра. Значение ошибки зависит как от соотношения мощностей сигналов, так и взаимного углового положения источников.

5. При использовании алгоритмов, построенных на основе методов адаптации, точность определения углового положения источника сигнала практически не зависит от мощностей других источников сигналов и монотонно уменьшается с ростом отношения сигнал/шум на входе излучателя.

Литература

1. Монзинго Р.А., Миллер Т. У. Адаптивные антенные решетки: Введение в теорию. М., 1986.

2. Гавеля Н.П. и др. Антенны. Ч. 1 / Под ред. Ю.К. Муравьева. Л., 1963.

3. Вертоградов Г.Г., Габриэлъян Д.Д., Звездина М.Ю., Шев-

ченко В.Н. Совершенствование алгоритма углового различения некоррелированных сигналов на основе адаптивного формирования «нулей» диаграммы направленности // Журн. радиоэлектроники. 2001. № 10.

4. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники: В 3 кн. Кн. 2. М., 1975.

5. Johnson D.H. The application of spectral estimation methods to bearing estimation problems. ТИИЭР. 1982. № 9.

9 октября 2003 г.

УДК 621.86

ОПТИМИЗАЦИЯ ПО КОМБИНИРОВАННОМУ КРИТЕРИЮ КАЧЕСТВА ТРАЕКТОРИЙ УКЛАДКИ ЛЕНТОЧНОГО МАТЕРИАЛА ПРИ НАМОТКЕ

ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ

© 2004 г. В.И. Маринин, А.А. Артеменко

При изготовлении изделий из композиционных материалов методом непрерывной намотки важной с практической точки зрения и распространенной задачей является намотка труб, когда оболочка наматывания представляет собой цилиндрическую поверхность с радиусом R. В работе [1] были рассмотрены вопросы укладки нити на поверхность и сформулирована двухточечная краевая задача для расчета на произвольной поверхности линии укладки, определяемой начальной и конечной точками и имеющей оптимальные значения важных характеристик уложенной нити - длины и тангенса угла геодезического отклонения. Линии укладки минимальной длины позволяют достичь уменьшения расхода материала намотки и массы

изделия, а минимальные значения тангенса угла геодезического отклонения обеспечивают максимально устойчивое положение линии на поверхности, определяющее прочностные показатели изделия.

Пусть требуется построить кривую г(1) (I - натуральный параметр), лежащую на некоторой поверхности г = г(и,v), проходящую через точки P0 (и0,, Р^ (uf, Vf) и удовлетворяющую заданным направлениям касательных т1, т 2 к поверхности в точках Р0, Р^ (рис. 1). Направление касательных задается углами намотки (углами между касательной к кривой в точке и вектором ги) кривой в0 и вf.