Моделирование системы радиолокационной виброметрии

Моделирование системы радиолокационной виброметрии

Получение информации о вибрационных параметрах оборудования, в том числе - специального назначения, и всевозможных динамических объектов, представляет одну из задач мониторинга виброустойчивости при пеленгационном контроле. Разработка высокоэффективных систем и комплексов в области дистанционного измерения заслуживают особого внимания, так как контактные вибродатчики позволяют проводить точные измерения в диапазоне низких частот при относительно больших амплитудах вибрации, но не применимы для измерения вибраций малой амплитуды и в условиях, где контактный съем не возможен. Система радиолокационной диагностики (СРЛД) предназначена для бесконтактного, дистанционного радиоволнового зондирования поверхности динамических и статических элементов объектов, генерирующих собственные механические колебания или промоделированных внешними виброакустическими возмущениями среды. В отличие от известных оптических, ультразвуковых и других радиоволновых бесконтактных систем съема, базирующихся на эффектах Доплера, интерференции и апертурно-амплитудной модуляции, и сильно зависящих от микроклимата, СРЛД способна обеспечивать сбор данных с высокой разрешающей способностью при отсутствии визуального доступа, прямой видимости исследуемых объектов, находящих за оптически непрозрачными препятствиями или в условиях задымленности, тумана и та методами моноимпульсной и сверхширокополосной (СШП) эхолокации, основанной на принципах Ключевые слова: фазовой модуляции отраженных радиоимпульсов СВЧ диапазона от вибрирующей поверхности

Моделирование, акустическая зондируемой цели. В отличие от других методов амплитуда отраженного сигнала непосредственно не виброметрия, виброволновые участвует в абсолютных измерениях. Описывается функциональная модель виброметрического измерения, радар, радара с рассмотрением случая фазового радиоимпульсного эхосигнала от цели при наличии ложных

виброакустические возмущения вторичных эхосигналов и белых шумов. Численный алгоритм приема и обработки данных радара сPед^l, фазовая /^тушчи^ СШП базируется на фазовом методе определения дальности. Метод основан на измерении разности фаз импульс,вторичный эхосигнал. колебаний сигналов зондирования и принятых отраженных сигналов.

Костин М.С.,

аспирант, кафедра КПРЭС МГТУМИРЭА

Получение информации о вибрационных параметрах оборудования, в том числе - специального назначения, и всевозможных динамических объектов, представляет одну из задач мониторинга виброустойчивосги при пеленгационном контроле. Существующие методы измерения параметров вибрации и технические средства их реализации основаны на различных физических принципах и имеют определенные области и условия применения.

По принципу взаимодействия с объектом все методы измерения параметров вибраций делятся на две группы: контактные, имеющие механическую связь с исследуемым объектом, и бесконтактные, т.е. не связанные с объектом механической связью.

Контактные методы просты в реализации, имеют точное положение на исследуемом объекте, однако необходимость установки датчика непосредственно на динамическом объекте, их инерционность и наличие соединителей резко снижает область их применения.

Существуют ситуации, в которых необходимо измерить параметры вибрации объекта, не прибегая к механическому контактному соединению с ним. В таких случаях необходимо использование бесконтактных методов. Общим достоинством методов является отсутствие механического воздействия с объектом и пренебрежительно малая инерционность. В частности, это возможность получения информации на малых и больших расстояниях. Регистрация вибраций с тонкостенных и оболочковых объектов.

Бесконтактные методы основаны на зондировании объекта ульгразвуковыми или электромагнитными волнами [1 ...3].

Метод ультразвуковой фазомегрии заключается в измерении разности фаз опорного сигнала ультразвуковой частоты и сигнала, отраженного от исследуемого объекта.

Использование ультразвуковых методов ограничивают невысокая разрешающая способность, сильное затухание ультразвука в воздухе, зависимость от состояния атмосферы, уменьшение точности измерения с ростом частоты вибрации.

Широкое распространение получили оптические методы, основанные на зондировании объекта видимым и ближним ПК спекграми излучения. Простейшим из них является гомодинный метод, который позволяет измерять амплитуды и фазы гармонических вибраций, но не применим при исследовании негармонических вибраций. Гетеродинный - лишен этого недостатка, однако требует сложной калибровки. Голо граф и1чес кие методы обладают высокой разрешающей способностью, но большим временем измерения. Существенным недостатком оптических методов являются высокие требования к качеству поверхности исследуемого объекта и состоянию атмосферы.

Среди перечисленных методов виброволновых измерений особое место занимают радиоволновые. В этом случае носителем информации о механических колебаниях выступают электромагнитные волны миллиметрового или сантиметрового диапазона. Радиоволновые методы являются безинерционными и допускают бесконтактные измерения не только вибрации, но и перемещения, а также линейной скорости объектов. Контролируемые объекты могут быть использованы на расстоянии от сантиметров до нескольких сотен метров, в условиях отсутствия или плохой оптической видимости, высоких температур и для объектов с большим многообразием форм и материалов поверхностей. Становится возможным измерить вибрацию динамических узлов, не нарушая конструкции или через герметичные стенки приборов, стены закрытых помещений и т.д.

Радиоволновые методы измерения основаны на использовании зависимостей от величины вибраций или микроперемещений различного ряда параметров электромагнитных воли, используемых в качестве первичных средств взаимодействия с зондируемым объектом [1...3].

К таким параметрам относятся: амплитуда и фаза отраженного сигнала; частота электромагнитных колебаний системы; число возбуждаемых типов колебаний; время прохождения электромагнитной волны от источника излучения до контролируемого объекта; поляризация электромагнитных волн и др.

Из всего разнообразия радиоволновых методов измерения вибраций можно выделить две основные группы: резонаторные и интерференционные.

Резонаторные методы основаны на размещении вибрирующего объекта в ноле ВЧ или СВЧ резонатора, при котором под влиянием вибраций изменяются характеристики резонатора. Они могут быть реализованы на объемных резонаторах и отрезках длинных линий. Однако сложность конструкции, низкая чувствительность, малая удаленность от объекта измерения, а также сложный механизм оценки уровня вибрации не позволяют им найти универсальное применение.

При интерференционном методе между излучающим устройством и объектом образуется стоячая волна. Вибрация объекта приводит к амплитудной и фазовой модуляции отраженной волны и к образованию сигнала биений. Однако прямое измерение абсолютных значений параметров вибрации требует выполнения сложных процедур калибровки. Эти сложности в реализации ограничивают использование датчиков на базе существующих амплитудных методов, В табл. 1 приведен сравнительный аналитический обзор методов виброметрии [2|.

Таблица 1

Сравнительный анализ методов акустической виброметрии

Характеристики Акустическая нитрометрия

Ультразвуковая Радии вол пешая Оптическая

Длина волны зондируемого сигнала I... 15 мм 0,3..,10см 0,4... 1 мкм

Диапазон перемещений И)...50 мкм 100 им ... 5 м 10 нм ... 1 м

Диапазон измеряемых частот 0...3 кГц 0...500 кГц 0...20 МГц

Разрешение 10...30 мкм <100 пм <10 пм

Расстояние до объекта < 1.5...2 м 0,2..,500 м ОД.,.300 м

Недостатки 11изкая разрешающая способность, малый динамический диапазон. Сложность калибровки [для систем используемых амплитудный метод зондирования К Сложность аппаратуры, высокие иребо-вания к поверх! юстн объекта и среде распространения.

Достоинства Дешевизна и компактность аппаратуры. Измерения и отсутствии прямой видимости цели, работают и любых погодных условиях и на любых поверхностях. Высокая точность и разрешающая способность, возможность точных лабораторных измерений.

Выше перечисленных недостатков лишен фазовый импульсный радиоволновой метод, в котором амплитуда отраженного сигнала непосредственно не участвует в оценке параметров вибрации объекта. Закон фазовой модуляции ф(/) отраженного Сигнала связан с законом плоскопараллельных колебаний £>(/) отражающей по-

верхности вибрирующего объекта линейным соотношением:

Ф

где X - длина волны зондирующего сигнала.

Таким образом, фаза отраженного сигнала содержит всю информация о параметрах вибрации объекта.

Такое физическое явление взаимодействия радиоволн с вибрирующей поверхностью нашло свое применение в радиоволновом виброметрическом радаре. Численный алгоритм приема и обработки данных радара основан на фазовом методе определения дальности. Метод представляет измерение разности фаз колебаний сигналов зондирования и принятых отраженных сигналов.

Импульсный способ зондирования, предлагаемый в данной работе, выбран не случайно. В отличие от непрерывного, импульсный позволяет четким образом сконцентрироваться на заданной по удалению цели, тем самым максимальным образом исключив фоновые помехи, создаваемыми вторичными эхосигналами, и упростил» процесс распознавания принимаемых информативных сигналов на фоне белых шумов.

Рассмотрим особенность выделения информативного сигнала, отраженного от вибрирующего объекта. В принципе для выделения этого сигнала можно использовать изменения всех трех параметров импульсной последовательности: частоту заполнения импульсов, частоту следования импульсов и фазу последовательности импульсов.

Изменение частоты колебаний внутри импульса весьма незначительно в связи с тем, что длительность зондируемого импульса очень мала, особенно если это СШП импульс. Обнаружить изменение его частоты за время существования импульса с помощью фильтровых систем практически невозможно. Можно попытаться измерить не изменение частоты, а разность фаз, которая при этом возникнет между колебаниями отраженного и опорного импульсов. Опорным в данном случае является излученный импульс, задержанный на время зондирования. Однако такое решение также не приведет к возможности беспрепятственной регистрации сигнала, так как разность фаз в лучшем случае будет исчисляться несколькими угловыми секундами. Обнаружить такое изменение фазы колебаний за время существования импульса с помощью фазовых измерителей практически невозможно,

С учетом этих особенностей для обнаружения движущейся цели в виброметрическом радаре используется изменение частоты следования импульсов Рц, возникающее при их отражении от вибрирующей цели. Фактически в радаре измеряется не изменение этой частоты, а изменение разности фаз между колебаниями опорного и отраженного импульсов, возникающее из-за того, что периоды следования этих импульсов пе совпадают [4,5],

Определим эту разность фаз и характер ее изменения при вибрации объекта. Если мгновенное значение фазы колебаний излученного сигнала <ри(0 = 27г//, то мгновенное значение фазы сигнала, отраженного от неподвижного объекта, находящегося на расстоянии И:

Фв(0 = Ф„(0 + 2к-/ — =

2Я . ,( гяЛ

Разность фаз излученного и отраженного сигнала будет одинаковой в каждом периоде повторения, поскольку является постоянной величиной:

Дф(') = Ф„ (?)" <Р„(0 = -4тг • /—.

с

Мгновенная фаза сигнала, отраженного от вибрирующего объекта, находящегося на расстоянии Я-,:

f^f)

Разность фаз будет равна:

<РИ (í) - <РМ (0+2Я  = 2я - fit + ^Ц

Разность фаз будет другой:

R,

А ф, = ф„ (0 - (0 = -4jТ- /—.

с

Дф = Дф, -Лф, =—- - /'(Л, = /Ü7t.

с "с

7- _ ^ - Ч sin

а частота следованна импульсов:

F.±m_£_—

с Тс d~T] и, sin

г,

G

(шГ;

V

излученного н отраженного сигнала

Дф, = ф„(0-ф».(0=-4я-/—•

с

Через период Тц объект переместится на расстояние = Л, - и Гц от радара. Здесь и - виброскорость объекта. Мгновенная фаза сигнала, отраженного от объекта, находящегося на этом расстоянии, будет равна:

(¿I

01.

G2

МС

ADC

V

TD

А2

М/А2

I' Z1 Z2 A Z3 ADC

излученного и отраженного сигнала

а*

V

Al

Между периодами повторения эта разность фаз будет изменяться на величину:

G1

При вибрации объекта разность фаз колебаний излученного и отраженного сигналов изменяется от периода к периоду и это изменение (при неизменных частотах / и Fn) будет зависеть от виброскорости цели.

Девиацию частоты про модулированной импульсной последовательности при этом можно записать следующим образом. Если период следования импульсов равен T\\=d/c, где d - пространственное расстояние между импульсами, с - скорость света, то частота следования импульсов равна:

F, =1/Гт =c/d.

Таким образом, последовательность отражается от объекта. Если объект неподвижен, то период следования импульсов остается неизменным. При вибрации объекта но гармоническому закону скорость его виброперемещения изменяется как: и = ut. sin(íot.f}.

В результате пространственное расстояние импульсами будет равно dc = d'-J\ и,. sinfoy), период следования импульсов:

между тогда

1 —иг 51п(ы</)/с' где и[. = 27г/'""4)5т(ш1./ + ф) -виброскорость, Р, Ао - частота и амплитуда вибраций соответственно. Выражение (12) иллюстрирует частотно-модулируем ый сигнал с нелинейной зависимостью частоты сигнала от виброскорости перемещения объекта.

Подробнее остановимся на рассмотрении принципа действия радиоволнового виброметрического радара, обобщенная структурная и упрощенная функциональная схема которого приведены соответственно па рис.],а и б.

Генератор с управляемой частотой следования импульсов О вырабатывает прямоугольные импульсы (меандр) с частотой 0,1 ...30 МГц (определяет шаг дискретизации и зависит от величины виброскорости).

Рис. I, Обобщенная структурная (а) и упрощенная функциональная (б) схемы виброметрического радара

Строб-импульсы поступают на формирователь коротких радиоимпульсов GI (мопо- или СШП-импульсы) передающей антенны AI и в управляемую линию задержки DL. Узко направленная антенна AI обеспечивает зондирование исследуемой цели. Излучаемые импульсы электромагнитного поля отражаются от вибрирующей поверхности объекта. При этом возникает модуляция частоты следования импульсов. Глубина этой модуляции зависит от скорости и амплитуды вибрирующей поверхности объекта. В реальных условиях радар работает с вносимыми пассивными помехами - ложными вторичными эхосигналами, отраженными от стен и неподвижных объектов, которые будут искажать виброграмму, маскируя полезный сигнал. Для устранения мешающих сигналов в приемном тракте формируются временные окна, открывающие приемник в момент прихода сигнала, отраженного от зондируемого объекта на определенной дистанции. Эту задачу в составе системы радара выполняет стробируемый временной дискриминатор TD. Дискриминатор представляет собой быстродействующее ключевое устройство, обеспечивающее фазовое детектирование пришедшего сигнала как приведено на рис. 1,6. Роль опорного сигнала выполняет формирователь G2 по своим параметрам идентичный G!. Момент включения дискриминатора определяется величиной задержки, управлять которой, также как и строб-импульсами, можно с использованием микроконтроллера МС или ПЭВМ PC. Все остальное время приемник закрыт. Принятые во временных окнах сигналы детектируются, фильтруются и усиливаются интегрирующим усилителем AF, на выходе которого собственно имеем полезный сигнал - вибрацию цели. Аналоговый сигнал может оцифровываться АЦП ADC и также передаваться для дальнейшей программной обработки на ПЭВМ. Также хотелось бы отметить, что расстояние до потенциальной цели предварительно определяется системой фазовой дал ьп о метр и л или е использованием иного метода.

На базе упрощенной модели виброметрического радара (рис. 1,6) была разработана математическая про-

T-Comm, #11-2013

99

граммная функциональная модель устройства с рассмотрением приема сигнала при наличии ложных вторичных эхосигналов и пассивных помех в виде белого гауссов-ского шума. Реализация модели осуществлена при помощи программ но-графи-ЧЁйкой среды 81пшНпк 7.0 [6, 7]. Графическое представление программной модели приведено на рис. 2.

buttei tuner

J v.

FL1 t FIJI

rivttir puller

* V

©-U

HflTLABFuwbDn

Рис. 2, Программная функциональная модель виброметрического радара в условиях приема сигнала при наличии белого гаусс о веко го шума и четырех источников вибрации, три из которых побочные

Источник зондируемого сигнала Y и источники вибраций S1...S4 оформлены в виде m-функции среды Mat-Lab. Течения моделируемых событий определяется вре-мязадающим тактовым генератором Clock, обеспечивающим синхронную работу устройств, входящих в состав модели. Последовательность радиочастотных моноимпульсов формируется путем перемножения сигналов (U1), поступающих с генератора меандра G и канала радиочастоты Y. Для простоты моделирования все первичные сигнал взяты гармоническими функциями. Далее полученный зондируемый сигнал подается на управляемые динамические линии задержки Q1 ...04 (отраженные эхосигналы). Закон изменения времени динамической задержки сигнала определяется функциями S1...S4, которые имитируют вибрацию объектов, промодулирован-ных внешними виброакустическими возмущениями среды. При этом объектов (источников) может быть /V-штук. Однако для простоты рассмотрен случай с четырьмя объектами, один из которых цель. Пространственную удаленность расположения объектов от радара имитируют линии задержки Т1...Т2. Уровень вибраций объектов среды определяется аттенюаторами А1...А4. Далее сигналы суммируются и к ним подмешивается гауссовский белый шум, имитирующий ряд пассивных фоновых помех. Роль временного дискриминатора выполняет переключающее устройство Slrob IN, пропускающее сигнал на вход смесителя U2 согласно тактовым импульсам генератора G, задержанных во времени (линяя задержки DL1) на величину, равную одному из значений Tl ...Т4 (в зависимости от выбранной цели). Сложная смесь четырех промодулированных сигналов, белого шума и опорного задержанного сигнала (DL2) подаются на смеситель U2, фильтруется селективными ФНЧ FL1 и FL2 и усили-

вается усилителем АО. Зс1.,.8с4 - графические осциллографы. Для сравнения принимаемого етрпбируемого сигнала с нестробируемым в функциональную схему добавлены элементы и2.1, 1ТЛ.-1, РЬ2.1, А0.1 - идентичные элементам Ш, РЫ, ¥Ь2, АО схемы.

Однако приведенная модель несколько сложна в плане затрат оперативных ресурсов ПЭВМ, поэтому была разработана вторая модель (рис.3), позволяющая затратить меньшие процессорные и ОЗУ ресурсы. В этом случае управляемые линии задержки, зондируемый, етроби-руемый и симулируемые эхосигналы реализованы в виде т-функций Ма1ЬаЬ. При этом частоты с гроб и ру ем ого сигнала Г и зондируемого радиосигнала /задаются в виде констант, что удобно при варьировании режимов генерации. Так на рис.4 приведено качественное графическое изображение эхосигнала принимаемого от цели. Для сравнения и достоверности приема принимаемый эхо-сигнал представлен на фоне исходных реперов (5с2), разных по частотам, но равных по амплитуде вибрации.

Как следует из схемы рис.4 принимаемый сигнал 5, снимаемый с выхода радара, по частоте полностью повторяет репер №2, соответствующий вибрации зондируемой цели. В этом случае параметр времени задержки Т2 равен ЭЫ, что соответствует настройки по

дальности. На рис.5 приведено качественное сравнение стробируемого сигнала 8 с нестробируемым.

о-

CIKk 100

F

lODta I

-»г *

(in

Flint Z.M

*= *

Fun3 El.gl

-Hf *

(m

-*f *

fen

-*f *

fen ,

-Mil

H ti

-tHl

« и

A3 T3

-PM

&1

X

G

bul?r_

FL1.1 I.?

butler Duller

J  V

-Ф-1

Ml

-в

ic5

а

0

L

Рис. 3. Функциональная модель виброметрического ралара в условиях приема сигнала при наличии белого шума и четырех источников вибрации, три из которых побочные, а один — цель

—- - t

Рис. 4. Графическое представление эхосигнала, принимаемого от цели

Modelling of radiolocation vibrometric system

Kostin M.S., KPRES MGTU MIREA, Russia

Abstract

Obtaining information on vibration parameters of the equipment, including — a special purpose, and various dynamic objects, represents one of problems of monitoring of vibrostability at direction-finding control. Development of high-performance systems and complexes in the field of remote measurement deserve special attention as contact vibration sensors allow to carry out exact measurements in the range of low frequencies at rather big amplitudes of vibration, but aren't applicable for measurement of vibrations of small amplitude and in conditions where the contact I will eat isn't possible. The system of radar diagnostics (SRLD) is intended for contactless, remote radio wave sensing of a surface of dynamic and static elements of the objects generating own mechanical fluctuations or modulated by modulated vibroacoustic indignations of the environment. Unlike known optical, ultrasonic and other radio wave contactless systems съема, based on Dopler's effects, an interference both aperture and aperture-amplitude modulation, and strongly depending on a microclimate, SRLD is capable to provide data collection with high resolution in the absence of visual access, direct visibility of the studied objects finding behind optically opaque obstacles or in the conditions of smoke, a fog and etc., methods of monopulse and ultra-wide band (UWB) of the echolocation based on the principles of phase modulation of reflected radio impulses of the microwave oven of range from a vibrating surface of the probed purpose. In work the functional model of vibrometric radar with consideration of a case phase radio pulse a echo signal from the purpose in the presence of false secondary echo signals and white noise is described. The numerical algorithm of reception and data processing of radar is based on a phase method of determination of range. The method is based on measurement of a difference of phases of fluctuations of signals of sounding and the accepted reflected signals.

Keywords: modeling, acoustic vibfomefric, vibrowave measurements, radar, vibfoacoustic indignations of the environment, phase modulation, UWB impulse, secondary echo signal.