Сетевой электронный научный журнал "СИСТЕМОТЕХНИКА", № 2, 2004 г.

СИСТЕМА СБОРА И ОБРАБОТКИ ДАННЫХ С ПРОСТРАНСТВЕННО-РАЗНЕСЁННЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПУНКТОВ

 

Ефремов А.С., Молотова А.Ю., Рогалин И.В.

(ЗАО «НТЦСМ», Московский государственный институт электроники и математики, ЗАО «Компьюлинк»)

 

При экспериментальных исследованиях аэродинамических характеристик малоразмерных объектов двигающихся в атмосферном воздухе со сверхзвуковой скоростью требуется получение данных о параметрах его движения по всей траектории полёта. В условиях полигонных измерений,  длина трассы оборудованной датчиками измерительной системы может составлять многие сотни метров. Для формирования одного измерительного рубежа использовалось три датчика. Необходимое на трассе количество измерительных рубежей составляло от пяти до двадцати, в зависимости от типа исследуемого объекта.

В рассматриваемом случае сбор информации осуществляется довольно с большого количества датчиков. Подход к решению задачи сбора данных, когда каждый из датчиков имеет аналого-цифровой преобразователь с модемом и соответствующими линиями связи с пунктом обработки, был неприемлем по стоимостному фактору.

Для практической реализации системы была выбраны доступные, серийно выпускаемые акустические датчики, имеющие диапазон рабочих частот чувствительного элемента 15-25кГц. При превышении порогового уровня акустического воздействия, встроенный электронный модуль обеспечивает формирование выходного импульсного сигнала с монохромным частотным заполнением. Схемотехнические особенности электронного модуля позволили изменять  в определённых пределах длительность выходного импульса и частоту заполнения путём замены радиоэлементов времязадающих цепей.    

Имея достаточное количество датчиков с возможностью установки рабочей частоты, была выбрана концепция построения системы с частотным разделением сигналов датчиков работающих на одном измерительном рубеже. Срабатывание датчиков происходит через короткие интервалы времени, определяемые моментами прихода на них конуса уплотнения от пролетающего со сверхзвуковой скоростью объекта. По времени задержки двух импульсов относительно первого поступившего определяются координаты пролетающего объекта в плоскости измерительного рубежа.

Алгоритм расчёта координат объекта на каждом измерительном рубеже основан на двухбазовом разностно-дальномерном способе измерения [1, 2]. Выбранный алгоритм позволяет на измерительном рубеже располагать базы d01 и d02, имеющие равные длины (рис.1), под произвольным углом , что обеспечивает более широкие возможности при установке датчиков на неровностях местности. 

 

Рис.1 Схема расположения датчиков на измерительном рубеже

 

Уравнения, определяющие связи интервалов времени распространения с координатами точек расположения акустических датчиков на измерительном рубеже и объекта имеют вид:

(1)

где  и -разности путей распространения от объекта до начала координат через разные точки приёма.

Тогда, если  и -координаты точек размещения боковых датчиков на измерительном рубеже то:

(2)

Решения могут быть найдены в виде: и  .

Здесь  и - безразмерные коэффициенты:

(3)

Величины  и - связаны с измеряемыми разностями времён распространения сигналов  и  следующими соотношениями:

(4)

Введём следующие обозначения:

(5)

Тогда коэффициенты  и , имеющие размерность дальности определяются следующими соотношениями:

(6)

Величина u, имеющая размерность дальности, является корнем квадратного уравнения , где коэффициенты  определяются следующим образом:

(7)

Оценка точности определения координат на одном из измерительных рубежей оценивалась по методике предложенной в работе [3]. Так ошибка определения местоположения объекта рассчитывалась по следующей формуле:

(8)

где =-среднеквадратичное отклонение (СКО) ошибки измерения дальностей, - угол между базами d01 и d02,- СКО ошибки измерения разности времён распространения.

Функциональная схема системы сбора и обработки данных представлена на рис 2. Три акустических датчика (1) каждого измерительного рубежа  подключены через согласующее устройство (2) к общему кабелю (3).  Согласующее устройство обеспечивает развязку сигнальных цепей датчиков и цепи питания постоянным током с напряжением 12В. По кабелю сигналы через согласующее устройство (4) поступают на аналого-цифровой преобразователь (5) пункта сбора и обработки информации. Далее   оцифрованные данные регистрируются в памяти ПЭВМ (6).

 

Рис.2. Функциональная схема системы

 

Для сбора данных была  использована плата расширения Ла-н10 для IBM PC/AT c шиной интерфейса  ISA-16, выполненная на базе  АЦП  фирмы «Analog Devices» и программное обеспечение цифрового запоминающего осциллографа ЦЗО-01. Средние высоты траекторий полёта  различных типов объектов варьировалась в пределах 1.5-3.5м, средние скорости исследуемых объектов были в диапазоне от 500 до 1000м/с, поэтому общее время протекания регистрируемого процесса составляло в экспериментах не более 1с.

Исходя из общего времени, устанавливался необходимый объём задействованной оперативной памяти цифрового запоминающего осциллографа. Так время проведения эксперимента обеспечивало возможность регистрации происходящих процессов с максимальной частотой выборок 256кГц. Для передачи информации на пункт сбора и обработки применялся единый высокочастотный коаксиальный кабель, обеспечивающий также все датчики электропитанием.

Функциональная схема отдельного акустического датчика представлена на рис.3.

 

 

Рис.3. Функциональная схема отдельного акустического датчика

 

Чувствительный элемент акустических датчиков (1) имеет полосу рабочих частот от 15кГц до 25кГц. После усиления в усилителе (2) сигнал поступает на пороговое устройство (3). По сигналу с порогового устройства запускается моновибратор (4), генерирующий прямоугольный импульс. Этим сигналом открывается ключ (5), обеспечивающий поступление в линию связи синусоидального сигнала от генератора (6). 

Каждый из датчиков одного измерительного рубежа имеет собственную частоту генератора, незначительно отличающуюся от двух других. При поступлении на пункт сбора и обработки информации сигнал с каждого из измерительных рубежей обрабатывался  следующим образом:

1. Аналого-цифровое преобразование с записью в оперативную память.

2. Сохранение зарегистрированных экспериментальных данных на жёстком диске.

3. Обработка исходных данных  шумоподавляющей процедурой для очистки сигнала от возможных импульсных помех, наводимых в протяжённой линии связи с измерительными рубежами.

4. Сжатие массива данных путём устранения неинформативных участков записи, соответствующих времени пролёта объекта между измерительными рубежами.

5. Предварительный спектральный анализ сигналов и последующая узкополосная фильтрация для установления последовательности срабатывания каждого из трёх рубежных датчиков.

6. Вейвлетное преобразование массива данных для определения с высокой точностью моментов срабатывания  каждого последующего рубежного датчика относительно первого.

Использование рассмотренного выше алгоритма обработки позволяет с достаточной точностью установить относительные времена прихода на датчики ударной волны, и по этим данным рассчитывать координаты объекта на каждом измерительном рубеже.

 

Список литературы

 

1.        Черняк В.С., Заславский Л.П., Осипов Л.В. Многопозиционные радиолокационные станции и системы. – Зарубежная радиоэлектроника, 1987, №1

2.        Многопозиционные радиотехнические системы В.С. Кондратьев, А.Ф. Котов, Л.Н. Марков; под ред. проф. Цветнова. – М.: Радио и связь, 1986 –264с.: ил.

3.        Бекетов С.В., Королёв А.Н., Потапов А.В. Оценка местоположения источника импульсного сигнала неизвестной формы. – Радиотехника и электроника, 1973, т.18, №8.

Сетевой электронный научный журнал "СИСТЕМОТЕХНИКА", № 2, 2004 г.