Автореферат (1090672), страница 3
Текст из файла (страница 3)
В качестве базисных выбраны функции производных гауссовской модели nго порядка, поскольку принимаемые СКИ повторяют их форму. Принцип преобразования Габора заключается в том, что весь временной интервал сигнала разделяется на подынтервалы – оконные стробы, и преобразование проводится последовательно для каждого окна в отдельности.Восстановление механического колебания, содержащегося в фазе распределенной последовательности отраженных СКИ, реализуется с помощью методов фазодевиометрической оценки, как во временной, так и частотной областях.
Во временной области применяются энергетический фазовый метод и взаимной корреляционной функции при сравнении череспериодных СКИ, в предположении, что импульсы в соседних периодах идентичны. В спектральной области та же задача решается с применением метода отношения комплексных спектров и вейвлеткепстрального анализа. Воспроизводимость и точность группы временных методовфазодевиометрической оценки напрямую зависят от динамичности формоизмененияпрофиля отраженного СКИ-сигнала во времени.
При этом обработка СКИ в спектральной области позволяет обеспечить помехоустойчивость ввиду того, что ФСПМСКИ в пределах нескольких периодов зондирования имеет квазистационарный характер. Показано, что логоспектр соседней последовательности СКИ имеет вид двухфункций, одна из которых представляет собой спектральную огибающую СКИ, адругая несет в себе закон модуляции спектра, период которой соответствует его положению на оси кепстрального времени. Для точного нахождения первого максимума кепстра, в логоспектре выделяется модуляционная компонента.
Уменьшениеошибки фазодевиометрической оценки методом вейвлет-кепстрального анализа достигается расширением частотного окна дискретного логоспектра путем его искус11ственного дополнения нулями, что при малых отношениях сигнал-шум позволяетполучить более точную оценку взаимного временного положения СКИ.Проверка работоспособности и воспроизводимости, а также отладка приведенных численных методов фазодевиометрической оценки и цифровой фильтрациипредварительно была проведена в среде MatLab.
Достоверность каждого из численных методов оценки интенсивности вибрации зондируемой поверхности определялась коэффициентом корреляции Kr по отношению к реперному полигармоническому колебанию с амплитудами виброперемещения 0,25…1 мм в полосе 5…100 Гцпри частоте зондирования 200 кГц, длительности радиоимпульса 200 пс, отношениисигнал-шум не хуже 40 дБ (рисунок 3).Рисунок 3. Графическая интерпретация воспроизводимости интенсивности вибрации относительно реперного колебания (сплошная линяя) различными методами( (t ) - виброскорость)Анализ программного моделирования показал, что среди предложенных численных методов фазодевиометрической оценки при невысоком отношении сигналшум (менее 20 дБ) наиболее предпочтительными оказались методы, реализованныев частотной области.В четвертой главе изложены принципы программно-аппаратной и стендовойреализации радиоволновых виброиспытаний.
Проведена серия экспериментальныхисследований время-частотных характеристик отраженного СКИ с учетом условийприменимости предложенного метода в виброметрии.Сформулирована концепция технологии строб-фрейм-дискретизации, позволяющая исключить ряд недостатков тактируемых приемных устройств на базепринципа масштабно-временной трансформации. Строб-фрейм-дискретизация исключает тактирование сигнала для взятия цифровых отсчетов, что позволяет минимизировать энергопотребление схемы.
Реализация этой технологии в работе представлена экспериментальным макетом системы СКИ РСЗ на базе цифрового однокристального приемопередатчика серии NVA6201, генерирующего гауссовские видеоимпульсы длительностью 0,2; 0,5 и 1 нс, с потребляемой мощностью 120 мВт, полосой пропускания приемника (компаратора) до 10 ГГц и частотой дискретизации до100 Гвыб/с (рисунок 4). Количество всех выборок сигнала за период сканирования в12режиме строб-фрейм-дискретизации, называется фреймом – временным окном дискретов, а поток мгновенных значений дискретов – сэмплом. Формирование фреймаосуществляется следующим образом.
Перед началом дискретизации счетный импульс задерживается при помощи глобальной задержки фрейма. Счетный импульспроходит через массив D-триггеров, поступая на каждый с небольшим смещениемво времени, задаваемым пикосекундными линиями задержки (ЛЗ). Текущий уровенькомпаратора определяет разрешение или запрет счета в момент времени, когдасчетный импульс фрейма минует i-ый D-триггер.
После записи выборки фрейма порогкомпаратора сдвигается, и цикл повторяется до полного восстановления СКИ в окнезахвата.Рисунок 4. Структурная схема строб-фрейм-дискретизации (слева) и общий вид экспериментального макета системы СКИ РСЗ на базе NVA6201На основе концепции технологии строб-фрейм-дискретизации разработана программа-эмулятор и масштабно-временная модель реализации СКИ РСЗ в среде MatLab, на базе которых осуществлялась отладка численных методов фазодевиометрической оценки интенсивности механических колебаний, и получены результаты программного моделирования. На рисунке 5 приведена программная реализация полноговосстановления отраженного от зондируемой поверхности СКИ 3-го порядка длительностью 200 пс за 4 цикла стробирования (4 шага квантования) с частотой 3 МГц придискретизации 40 Гвыб/с и отношении сигнал-шум 20 дБ.Рисунок 5.
СКИ 3-го порядка в окне захвата: нормированный СКИ на входе компаратора (слева); восстановленный СКИ по суммарному сэмплу sem (в центре); нормированный интерполированный СКИ (справа)Показано, что в зависимости от выбранного значения n-шагов квантования (n13строб-импульсов полного цикла восстановления СКИ) можно добиться уменьшенияспектральной плотности шумов в окне захвата.Масштабно-временная модель использует принцип дифференциации масштаба времени для каждого из колебательных процессов (СКИ – субнаносекундное колебание; механические вибрации – миллисекундный и секундный цикл) в отдельности и позволяет их моделировать на одной оси времени в режиме оконного динамического обновления.
Если выборку мгновенных значений СКИ представить вектором-строкой и обозначить временной сдвиг, соответствующий виброперемещениюзондируемой поверхности, через z , то реализацию выборок за m-периодов зондирования можно представить массивом из транспонированных векторовS s1 (t τ z1 )T , s 2 (t τ z 2 )T , s 3 (t τ z 2 )T ,..., s m (t τ zm )T .
Причем матрице S можносопоставить два вектора:1) вектор-столбец выборки временных дискретов (сэмплов) Td t1 , t2 , t3 ,..., tn – длястрок S ;2) вектор-строку периодов зондирования TЗ TЗ1 ,TЗ 2 , TЗ3 ,...,TЗ m – для столбцов S .Таким образом, масштабно-дифференциальная модель времени задается двумя массивами: один формирует динамический вектор Td в области субнаносекундного времени, а другой – вектор TЗ , задающий масштаб времени низкочастотнойкомпоненты, представленной механическим колебанием.Для испытаний и оценки достоверности СКИ радиоволнового метода предложена спецификация виброиспытаний, позволяющая исследовать характеристикиСКИ РСЗ и условия применимости метода. Проведено планирование эксперимента,разработана установка виброакустического стенда (рисунок 8) и проведена серия тестовых радиоволновых виброиспытаний.Используемая в работе виброиспытательная установка выполнена на базе виброакустического стенда с электромагнитным преобразователем – динамической головкой 1 типа W18NX001, установленной в окне акустического трансформатора 2,возбуждение которой задается генератором 3 сигнала специальной формыHMF2550.
В качестве испытуемого объекта выбрана пластина фольгированногостеклотекстолита 4 размерами 200×200×1 мм с грузиками 5, закрепленная в герметичном подвесе.При исследовании формоизменений время-частотных характеристик отраженного СКИ-сигнала были использованы три режима виброакустического возбуждения колебаний пластины: нестационарный (убегающей амплитуды), качающейся частоты и полигармонического воздействия.14Рисунок 8. Схема экспериментальной виброакустической установкиПри проведении исследований задавались следующие электродинамическиепараметры РСЗ: длительность зондируемого СКИ – 200 пс по относительному уровню 0,5; излучаемая мощность сигнала 0,5…10 мВт; частота зондирования 0,2 и 1кГц; частота стробирования 3МГц; ширина ДН антенны Вивальди по мощности 10 0 . Отношение сигнал-шум – не хуже 40 дБ.
Расстояние между антенной и зондируемой поверхностью 3…5 м. Диапазон регистрируемых частот 1…100 Гц. Нормированный ряд виброперемещений 0,5…4,0 мм при виброускорениях согласноГОСТ 30630.1.2-99.В качестве корреляционной оценки воспроизводимости результатов эксперимента и достоверности радиоволнового метода использовались данные, параллельнорегистрируемые лазерным импульсным стетоскопом.На основе экспериментальных исследований получена оценка минимальногопорогового значения чувствительности к перемещению в режиме генерации убегающей амплитуды, которая составила 250 мкм для энергетического фазового метода и 420 мкм – для вейвлет-кепстрального анализа.
Показано, что среднеквадратичная ошибка оценки виброперемещения с уменьшением отношения сигнал-шум дляпервого метода растет быстрее, в то время как для второго обеспечивает помехоустойчивый режим до 10…15 дБ. Причем относительная погрешность измерений непревышает 7%. В качестве модели шума выбран аддитивный белый гауссовскийшум с ненулевым математическим ожиданием, по частоте смещенным на центральную частоту ФСПМ СКИ-сигнала, так как интерес представляет исследование влияния стационарной помехи во всем частотном диапазоне ФСПМ СКИ.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
