Методы и средства радиоволновой сверхкороткоимпульсной виброметрии механических колебаний в системах радиосенсорного зондирования тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

На правах рукописи

КОСТИН Михаил Сергеевич

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА РАДИОВОЛНОВОЙ СВЕРХКОРОТКОИМПУЛЬСНОЙ ВИБРОМЕТРИИ МЕХАНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ В СИСТЕМАХ РАДИОСЕНСОРНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ

Специальность 01.04.03 - Радиофизика

п ИЮЛ 2015

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА-2015

005570785

005570785

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего образования «Московский государственный университет информационных технологий, радиотехники и электроники» (МИРЭА).

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

д.ф.-м.н. профессор Будагян Ирина Фадеевна, профессор Московского государственного университета информационных технологий, радиотехники и электроники

д.ф.-м.н. профессор Гусейн-заде Намик Гусейнович, зав. отделом Института общей физики Российской академии наук им. A.M. Прохорова

к.т.н. Перминов Сергей Валериевич, начальник группы ОАО «Научно-производственная корпорация «Системы прецизионного приборостроения»

Ведущая организация: АО «Концерн радиостроения «Вега», г. Москва

Защита состоится 2 октября 2015 г. в 15 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д212.131.01 при Московском государственном университете информационных технологий, радиотехники и электроники по адресу: 119454, г. Москва, пр-т Вернадского, д. 78, аудитория Д-117.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИРЭА и на сайте https://www.mirea.ru/upload/medialibrarv/del/disser kostin-m.s-.pdf.

Автореферат разослан «14» июля 2015 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д212.131.01 кандидат технических наук, доцент

А.И. Стариковский

© Московский государственный университет информационных технологий, радиотехники и электроники (МИРЭА), 2015

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Радиоволновые методы как средства изучения взаимодействия электромагнитных волн со средами эффективно используются для анализа прикладных вопросов электродинамики и технической физики. Особую роль в этой области занимает актуализация наукоемких технологий по внедрению радиоволновых методов с целью проведения виброметрологических исследований аппаратуры на производстве, в приборостроении, метрологии, а также смежных отраслях науки и техники.

В качестве радиосенсорных программно-аппаратных комплексов дистанционного сбора и обработки данных используются радиофизические, физико-механические, геометрические и виброакустические свойства зондируемых элементов объектов и кинематических схем при их эксплуатации и проведении стендовых испытаний. Существующие методы измерения параметров вибрации и технические средства их реализации основаны на физических принципах электродинамики, оптики и акустики, что определяет области и условия их применения. В отличие от акустических радиоволновые методы позволяют производить дистанционные измерения в условиях низких и высоких температур, давлений, влажности, плотности газообразной среды; по сравнению с оптическими — позволяют работать в условиях устойчивых дисперсных систем, со скрытыми элементами объектов, без предъявления строгих требований к качеству зондируемой поверхности и точности юстировки. Отсутствие контактного влияния на работу механических устройств позволяет исследовать механические колебания мембранных, тонкостенных и оболочковых поверхностей, а также несущих конструкций и динамических вибрационных систем.

Освоение субнаносекундного диапазона вызывает научный интерес к радиофизическим особенностям формоизменения сверхкороткоимпульсных (СКИ) сигналов при их отражении и рассеивании неоднородными поверхностями, что ставит вопрос о возможности их применения в исследовательских задачах радиосенсорного зондирования (РСЗ). Действительно, перспективным и актуальным подходом в развитии РСЗ могут послужить особенности изменения время-частотных характеристик радиоимпульсов при их распространении, отражении и прохождении через диэлектрические среды. СКИ-сигналы применяются для оценки импульсных характеристик отражательной, либо рассеивающей поверхности. Особый интерес представляет применение гауссовских СКИ без несущего частотного заполнения, которые отличаются скрытностью, помехоустойчивостью, пространственным сверхразрешением, высокой проникающей способностью сквозь поглощающие диэлектрические среды. При этом использование технологии строб-фрейм-дискретизации (СФД)

субнаносекундных сигналов позволило расширить возможности их исследования с помощью численных методов обработки.

Целью настоящей работы является обеспечение возможности с помощью га-уссовских СКИ зондирования акустооптически недоступных объектов в задачах радиоволнового РСЗ и проведение экспериментальных исследований на основе разработанного испытательного макета СКИ системы для оценки вибромеханических параметров линейных виброперемещений поверхностей объектов. Для этого были решены следующие задачи:

1. Выбор и оптимизация гауссовской модели СКИ-сигнала относительно РСС-маски распределения частот и исследование время-спектральных характеристик отраженных СКИ с учетом влияния диэлектрических потерь.

2. Разработка масштабно-временной и фазодевиометрической модели виброметрической системы РСЗ. Программная реализация цифровой обработки и фазодевиометрической оценки СКИ-сигналов в среде Май^аЬ.

3. Проведение экспериментальных исследований на основе разработанного виброакустического стенда и опытного макета СКИ-радиосенсорного устройства с цифровым приемопередатчиком серии ЫУА6201 и микрополосковыми (МПЛ) модифицированными антеннами Вивальди.

4. Анализ результатов серии экспериментальных исследований механических колебаний и произведение корреляционной оценки достоверности воспроизводимых вибрационных характеристик исследуемых колебаний объекта.

В диссертации были предложены методы обработки СКИ:

• фильтрации СКИ-сигнала на базе частотно-временной селекции: преобразования Габора и сингулярного шумоподавления.

• фазодевиометрической оценки СКИ во временной и частотной областях: энергетический фазовый, взаимной корреляционной функции, отношения комплексных спектров, и вейвлет-кепстралыюго анализа.

• анализа механических вибраций с помощью быстрого преобразования Фурье.

Научная новизна диссертационных исследований состоит в следующем:

1. В радиоволновой виброметрии впервые предложен помехоустойчивый метод СКИ-радиосенсорного зондирования, позволяющий осуществлять измерения на относительно больших расстояниях в условиях антиоптического доступа к исследуемой поверхности с приемлемым разрешением.

2. Впервые предложен псевдослучайный алгоритм энергетического синтеза квазиоптимальной функции спектральной плотности мощности (ФСПМ) СКИ-сигналов из расчета максимально эффективной излучаемой мощности в заданной полосе частот. Получены оптимальные значения длительности СКИ в зави-

4

симости от порядка дифференцирования, обеспечивающие максимальную эффективную излучаемую мощность.

3. Прием отраженного СКИ-радиосигнала реализован посредством прямой оцифровки, масштабирования и численной программной обработки на базе высокоскоростной СФД с частотой преобразования до 100 Гвыб/с в составе цифрового приемопередатчика МУА6201. Это позволило применить эффективный математический аппарат, исключив масштабно-временную трансформацию и реализацию переноса сигнала на нулевую частоту.

4. Теоретически исследована зависимость выбора числа л-периодов стробиро-вания на воспроизводимость СКИ и шумоподавление в окне захвата.

5. Исследованы отражательные особенности СКИ-сигнала от неоднородной зондируемой поверхности с точки зрения влияния динамической ЭПР на формоизменение время-частотных характеристик субнаносекундного радиоимпульса. Исследовано влияние диэлектрических потерь на формоизменение профиля СКИ.

Практическая и научная значимость

На основе численных методов и технологии СФД цифровой обработки СКИ-сигналов разработана аналитическая модель системы РСЗ и серия программных алгоритмов параметрической фазодевиометрической оценки угловой девиации отраженных фазораспределенных радиоимпульсов. Разработана масштабно-временная модель, реализующая медленно и быстро протекающие процессы на одной оси дискретного времени. Предложенные методы фазодевиометрической оценки выборки регистрируемых данных реализованы опытным макетом на базе однокристального приемопередатчика ЫУЛ6201 с прямой оцифровкой субнаносекундного сигнала в режиме импульсного зондирования модифицированной МПЛ-антенной Вивальди. Разработана программа-эмулятор, позволяющая исследовать возможности технологии СФД. Экспериментальный макет устройства СКИ РСЗ рекомендуется к использованию в системах регистрации механических колебаний конструкций и элементов кинематических схем, а также при проведении стендовых испытаний аппаратуры на надежность и виброустойчивость. Предложенный метод является помехоустойчивым и обеспечивает хорошую проникающую способность при зондировании оптически недоступных объектов.

Практическое внедрение

Разработанный макет радиоволновой виброметрической системы и метод СКИ РСЗ рекомендованы к использованию в научно-исследовательских и опытно-конструкторских разработках при проведении стендовых испытаний аппаратуры на виброустойчивость в ОАО «КБточмаш им. А.Э. Нудельмана».

5

Основные положения, выносимые на защиту

1. Технология строб-фрейм-дискретизации формирует выборку СКИ с пикосекунд-ным разрешением и не требует тактирования, тогда как при масштабно-временной трансформации возникает джиггер строб-импульсов, от длительности которых зависит временное разрешение.

2. При зондировании оптически недоступных поверхностей в условиях влияния помех и диэлектрических потерь гауссовский СКИ претерпевает меньшие затухания и формоизменения в отличие от радиоимпульсов с несущим частотным заполнением.

3. Помехоустойчивым методом фазодевиометрической оценки является вейвлет-кепстральный анализ соседней пары фазосмещенных СКИ.

4. Предложенный метод СКИ РСЗ и выбранные численные алгоритмы фазодевиометрической оценки могут быть эффективно использованы в решении задач радиоволновой вибродиагностики с применением нестационарных сигналов.

Достоверность результатов

Достоверность результатов диссертационных исследований определяется корректным применением численных методов фазодевиометрической оценки, адекватностью математической модели радиоволновой системы, техническим соответствием опытного макета и экспериментального стенда теоретическому описанию исследуемой системы, критерием соответствия которых служит корреляционный анализ результатов, полученных СКИ РСЗ, с аналоговым лазерным стетоскопическим методом. Достоверность результатов подтверждается практическим внедрением и публикациями результатов исследований в сборниках конференций и рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК.

Апробация результатов диссертационных исследований

Основные результаты диссертационных исследований докладывались на следующих международных и всероссийских конференциях:

1. Международная научно-практическая конференция РАДИОИНФОКОМ, МГТУ МИРЭА Москва - 2013.

2. 62-я научно-техническая конференция, МГТУ МИРЭА, Москва -2013.

3. VII Международная отраслевая научно-техническая конференция «Технологии информационного общества», МТУ СИ, Москва-2013.

4. Международная научно-техническая конференция «Наука и образование без границ», Akademia Górniczo-Hutnicza (AGH) / Польский научно-технический Университет, Польша - 2013.

5. Международная научно-техническая конференция «Наука и технологии: шаг в будущее», Czech Technical University in Prague (CTU) / Чешский технический Университет, Чехия — 2014.

6. Международная научно-методическая конференция «Информатизация инженерного общества», НИУ МЭИ, Москва - 2014.

7. VIII Международная отраслевая научно-техническая конференция «Технологии информационного общества, МТУ СИ, Москва-2014.

8. Международная молодежная научно-практическая конференция «ИНФО-КОМ-2014», СКФ МТУСИ, Ростов-на-Дону-2014.

9. 63-я научно-техническая конференция МГТУ МИРЭА, Москва -2014.

10. V научно-техническая конференция молодых ученых и специалистов «Актуальные вопросы развития систем и средств ВКО», ГСКБ АЛМАЗ-АНТЕЙ, Москва-2014.

11. Всероссийская научно-практическая конференция «Научный взгляд на современный этап развития общественных, технических, гуманитарных и естественных наук, актуальные проблемы», СПУПМ, Санкт-Петербург —2014.

12. 17-я Всероссийская молодежная научная школа-семинар «Актуальные проблемы физической и функциональной электроники», УФИРЭ им. В.А. Ко-тельникова РАН, Ульяновск - 2014.

13. Международная научно-техническая конференция «INTERMATIC - 2014», МГТУ МИРЭА, Москва- 2014.

14. European Science and Technology: 9-th International scientific conference. Munich -2014.

15. Международная молодежная научно-практическая конференция «ИНФО-КОМ-2015», СКФ МТУСИ, Ростов-на-Дону-2015.

16. Международная научно-практическая конференция РАДИОИНФОКОМ, МГТУ МИРЭА, Москва-2015.

Публикации по теме диссертации

По тематике диссертации опубликовано: статей в рецензируемых журналах — 6, в том числе 4 из списка рекомендованных ВАК; 13 докладов, представленных на международных и всероссийских конференциях; 8 научных трудов входит в список РИНЦ.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 70 наименований и приложения. Общий объем — 134 страницы, в том числе 38 рисунков и 3 таблицы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность тематики диссертационных исследований, сформулирована научная новизна, практическая значимость, изложены цели исследований и положения, выносимые на защиту, приведены достоверность и апробация результатов.

В первой главе проведен аналитический обзор принципов и средств бесконтактного измерения механических колебаний тремя группами методов: оптическими, акустическими и радиоволновыми. Приведены необходимые теоретические сведения о линейных механических вибрациях и их оцениваемых характеристиках. Определено занимаемое место и рассмотрена классификация группы радиоволновых методов в виброметрии. Изложены принципы их технической реализации. Проведен сравнительный анализ и определены достоинства, недостатки и особенности условий применения каждого из методов. Сформулирована актуальность применения субнаносекундных радиоимпульсов в общих задачах радиофизики и прикладных задачах виброметрического СКИ РСЗ. Рассмотрены основные радиотехнические характеристики субнаносекундных гауссовских радиоимпульсов.

Вторая глава посвящена выбору аналитической модели СКИ, в качестве которой предложена гауссовская модель, поскольку аппроксимированная функция видеоимпульса возбуждения антенны Вивальди, как и сама огибающая излучаемого и отраженного от зондируемой поверхности радиосигнала, аналитически повторяют кривую Гаусса. Она включает энергетическую оптимизацию ФСПМ СКИ-сигнала относительно FCC-маски из расчета максимальной эффективной излучаемой мощности Ps в заданной полосе частот, показатель эффективности которой f\ = Ps! Pd, где Pä — максимально допустимая мощность СКИ-сигнала. Из условия критерия оптимизации ФСПМ, задаваемого целевой функцией минимизации Fa, где (Vs(f) и

Wjif) - соответствующие ФСПМ: Fa = j\fVd(f) - Ws(om)(f)fdf min, получены оп-

л

тимальные значения параметра а1(опт) аналитической модели гауссовского видеоим-' df

пульса вида .?'"'(/) = G0

ехР| -¿J

и соответствующие ему центральные час-

тоты /0, на которые приходится максимум ФСПМ в зависимости от порядка дифференцирования гауссовского видеоимпульса - для 1,2,... 10 порядка.

Предложен псевдослучайный алгоритм синтеза квазиоптимальной ФСПМ пу-

N

тем представления СКИ полиномом = ^(^'"'(ст^^Г) таким, что для несколь-

ких выбранных значений ст1(л), либо соответствующих ст^(011т), задача оптимизации сводится к генерации квазиоптимального набора элементов вектора весовых коэффициентов 0=[С,,(х2,...,Сдг], чтобы в заданной полосе ФСПМ удовлетворялось условие целевой функции минимизации. Применение предложенного метода оптимизации ФСПМ позволяет повысить показатель эффективной излучаемой мощности г| с 75...80% до 90%. Оптимизация формы ФСПМ, асимптотически приближенной к спектральной маске в заданной полосе частот (рисунок 1) улучшает эффективную излучаемую мощность СКИ, а, следовательно, повышает отношение сигнал-шум и помехоустойчивость сигнала.

Рисунок 1. Оптимизация ФСПМ обтекаемой геометрии: слева - для полинома 1... 15-го порядка: сплошная кривая - /0 =2,8 ГГц (стл] 15 =200пс), пунктирная кривая-/0=6,4 ГГц (стл =420 пс, а12 13 = 80 пс); справа - для соответствующих порядку производной (и =1...15) СКИ значений ст„{от)

Проведен анализ радиофизических явлений и процессов, влияющих на формоизменение СКИ. Исследовано влияние угла наклона 0М облучаемой поверхности на формоизменение СКИ длительностью 200 пс (рисунок 2) и ЭПР зондируемой поверхности размером 20><20 см.

по.....|......|.....Ц \.....г.....1......!......

\) 1 : ' -

№...

Рисунок 2. Нормированные эпюры СКИ 3-го порядка на входе приемника: 0М =0° (слева), 0М =10° (в центре) и 0М =45° (справа)

Показано, что увеличение угла наклона зондируемой поверхности влияет на формоизменение СКИ, выраженное перераспределением напряженности поля радиоимпульса, и в случае опрокидывающих пластину моментов, вызванных вибра-

циями, ЭПР будет носить динамический характер и экспоненциально убывать с увеличением угла 9М.

Предложена модель среды распространения СКИ-сигнала в случае подповерхностного зондирования через диэлектрическое препятствие, описываемая стационарной функцией коэффициента прохождения. Исследовано влияние диэлектрических потерь на формоизменение СКИ. Установлено, что гауссовский СКИ, в отличие от гауссиана, спектр которого сдвинут на несущую частоту заполнения, претерпевает незначительные изменение профиля электрического поля. Однако поскольку влияние диэлектрических потерь существенно в области верхних частот, боковые лепестки распределения напряженности электрического поля СКИ без несущего заполнения при прохождении через диэлектрик становятся пологими.

Осуществлен выбор облучающей антенны, в качестве которой предложена модифицированная МПЛ-антенна Вивальди с экспоненциальным раскрывом. Отмечено, что в точке зондирования может возникнуть обстоятельная необходимость компенсации искажений ДН, вызванных несинхронным возбуждением ее раскрыва фронтом СКИ.

Поскольку при виброперемещении зондируемая поверхность совершает механические колебания можно считать, что некая соседняя последовательность отраженных радиоимпульсов от одного и того же элемента поверхности сохраняют квазистационарную форму и период следования. Используя эти априорные сведения, в качестве метода квазиоптимального обнаружения гауссовского СКИ-сигнала предложен алгоритм череспериодного корреляционного обнаружителя.

В третье главе рассмотрены цифровая обработка сверхкороткоимпульсных сигналов и численные методы фазодевиометрической оценки механических колебаний. Предложена аналитическая фазодевиометрическая модель системы СКИ РСЗ. Показано, что целесообразно использовать череспериодное изменение разности фаз Д ф между соседними отраженными радиоимпульсами, из которой можно выразить абсолютную величину оценки средней интенсивности за период РСЗ: иср = Афст^3(4,5тг)"1,в то время как величина виброперемещения Дг = исрГ3. Здесь ^з - частота зондирования, т5 — длительность СКИ, с — скорость света.

Предложена модель радиоволнового канала, учитывающая аддитивные составляющие в составе: СКИ 5кц, принятый с основного направления диаграммы рассеяния; вторичные эхосигналы, обусловленные многолучевым рассеянием неодно-родностями пространства л и стационарный гауссовский шум с;. Если каждую аддитивную компоненту представить вектором дискретных значений « = [5(1),5(2),....,5(л)], полученных за период сканирования, где г-й элемент вектора л(/) = 5кп(/) + .5пр(/) + £(;'), то реализацию за «-периодов сканирования можно пред-

ставить матрицей 8 ....,5^]. Таким образом, применение сингулярного раз-

ложения к массиву Б позволяет компенсировать шумы в окне захвата СКИ-сигнала.

Предложены методы частотно- и пространственно-временной селекции (ЧВС и ПВС) СКИ из смеси помех, вызванных многолучевым рассеянием. ПВС достигается удержанием СКИ временным окном захвата, обеспечивающего селекцию отраженного СКИ пришедшего с основного направления и режекцию многолучевых компонент рассеяния. В качестве ЧВС используется цифровая фильтрация СКИ на базе преобразования Габора, так как отсутствие априорной информации ввиду особенностей свойств формоизменения отраженного гауссовского радиоимпульса не позволяет применить к нему согласованную фильтрацию. Кроме того, при согласованной фильтрации утрачивается профиль и фаза СКИ, необходимая для фазоде-виометрической оценки интенсивности механических колебаний. Предложенный метод фильтрации удобен при обработке нестационарных сигналов по выбранному базису. В качестве базисных выбраны функции производных гауссовской модели п-го 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 фа-зодевиометрической 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 вейвлет-кепстрального анализа. Воспроизводимость и точность группы временных методов фазодевиометрической оценки напрямую зависят от динамичности формоизменения профиля отраженного СКИ-сигнала во времени. При этом обработка СКИ в спектральной области позволяет обеспечить помехоустойчивость ввиду того, что ФСПМ СКИ в пределах нескольких периодов зондирования имеет квазистационарный характер. Показано, что логоспектр соседней последовательности СКИ имеет вид двух функций, одна из которых представляет собой спектральную огибающую СКИ, а другая 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. Уменьшение ошибки фазодевиометрической оценки методом вейвлет-кепстрального анализа достигается расширением частотного окна дискретного логоспектра путем его ис-

кусственного дополнения нулями, что при малых отношениях сигнал-шум позволяет получить более точную оценку взаимного временного положения СКИ.

Проверка работоспособности и воспроизводимости, а также отладка приведенных численных, методов фазодевиометрической оценки и цифровой фильтрации предварительно была проведена в среде Ма1ЬаЬ. Достоверность каждого из численных методов оценки интенсивности вибрации зондируемой поверхности определялась коэффициентом корреляции Кг по отношению к реперному полигармоническому колебанию с амплитудами виброперемещения 0,25... 1 мм в полосе 5... 100 Гц при частоте зондирования 200 кГц, длительности радиоимпульса 200 пс, отношении сигнал-шум не хуже 40 дБ (рисунок 3).

ции относительно реперного колебания (сплошная линяя) различными методами

( и(i) - виброскорость)

Анализ программного моделирования показал, что среди предложенных численных методов фазодевиометрической оценки при невысоком отношении сигнал-шум (менее 20 дБ) наиболее предпочтительными оказались методы, реализованные в частотной области.

В четвертой главе изложены принципы программно-аппаратной и стендовой реализации радиоволновых виброиспытаний. Проведена серия экспериментальных исследований время-частотных характеристик отраженного СКИ с учетом условий применимости предложенного метода в виброметрии.

Сформулирована концепция технологии строб-фрейм-дискретизации, позволяющая исключить ряд недостатков тактируемых приемных устройств на базе принципа 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 не, с потребляемой мощностью 120 мВт, полосой пропускания приемника (компаратора) до 10 ГГц и частотой дискретизации до 100 Гвыб/с (рисунок 4). Количество всех выборок сигнала за период сканирования в

режиме строб-фрейм-дискретизации, называется фреймом - временным окном дискретов, а поток мгновенных значений дискретов - сэмплом. Формирование фрейма осуществляется следующим образом. Перед началом дискретизации счетный импульс задерживается при помощи глобальной задержки фрейма. Счетный импульс проходит через массив Л-триггеров, поступая на каждый с небольшим смещением во времени, задаваемым пикосекундными линиями задержки (ЛЗ). Текущий уровень компаратора определяет разрешение или запрет счета в момент времени, когда счетный импульс фрейма минует ¡'-ый В-триггер. После записи выборки фрейма порог компаратора сдвигается, и цикл повторяется до полного восстановления СКИ в окне захвата.

Рисунок 4. Структурная схема строб-фрейм-дискретизации (слева) и общий вид экспериментального макета системы СКИ РСЗ на базе NVA6201

На основе концепции технологии строб-фрейм-дискретизации разработана программа-эмулятор и масштабно-временная модель реализации СКИ РСЗ в среде Mat-Lab, на базе которых осуществлялась отладка численных методов фазодевиометриче-ской оценки интенсивности механических колебаний, и получены результаты программного моделирования. На рисунке 5 приведена программная реализация полного восстановления отраженного от зондируемой поверхности СКИ 3-го порядка длительностью 200 пс за 4 цикла стробирования (4 шага квантования) с частотой 3 МГц при дискретизации 40 Гвыб/с и отношении сигнал-шум 20 дБ.

s(l)

i

j

/.с

\ Iff"

'СО]

-1т .... .... у-

i

/»с

Рисунок 5. СКИ 3-го порядка в окне захвата: нормированный СКИ на входе компаратора (слева); восстановленный СКИ по суммарному сэмплу Егет (в центре); нормированный интерполированный СКИ (справа) Показано, что в зависимости от выбранного значения «-шагов квантования (п-

13

строб-импульсов полного цикла восстановления СКМ) можно добиться уменьшения спектральной 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 виброперемещению зондируемой поверхности, через х2, то реализацию выборок за от-периодов зондирования можно представить массивом из транспонированных векторов в = [81(?-т.1)г,82(/'-т;:2)г,5з(?-т,2)г,..,^т(?-т.т)г]. Причем матрице в можно сопоставить два вектора:

1) вектор-столбец выборки временных дискретов (сэмплов) Т, = - для строк в;

2) вектор-строку периодов зондирования Т3 = [Т^,Тгг,Тъз,...,Т3т\ - для столбцов в.

Таким образом, масштабно-дифференциальная модель времени задается двумя массивами: один формирует динамический вектор Т^ в области субнаносекунд-ного времени, а другой - вектор Т3, задающий масштаб времени низкочастотной компоненты, представленной механическим колебанием.

Для испытаний и оценки достоверности СКИ радиоволнового метода предложена спецификация виброиспытаний, позволяющая исследовать характеристики СКИ 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 \V18NX001, установленной в окне акустического трансформатора 2, возбуждение которой задается генератором 3 сигнала специальной формы НМР2550. В качестве испытуемого объекта выбрана пластина фольгированного стеклотекстолита 4 размерами 200x200x1 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.

При проведении исследований задавались следующие электродинамические параметры РСЗ: длительность зондируемого СКИ — 200 пс по относительному уровню 0,5; излучаемая мощность сигнала 0,5... 10 мВт; частота зондирования 0,2 и 1 кГц; частота стробирования 3МГц; ширина ДН антенны Вивальди по мощности ±10°. 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 согласно ГОСТ 30630.1.2-99.

В качестве корреляционной оценки воспроизводимости результатов эксперимента и достоверности радиоволнового метода использовались данные, параллельно регистрируемые лазерным импульсным стетоскопом.

На основе экспериментальных исследований получена оценка минимального порогового 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 для первого метода растет быстрее, в то время как для второго обеспечивает помехоустойчивый режим до 10... 15 дБ. Причем относительная погрешность измерений не превышает 7%. В качестве модели шума выбран аддитивный белый гауссовский шум 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. В качестве сверхширокополосной помехи могут выступать беспроводные технологии связи, в том числе многоканальные: Wi-Fi, WiMax, UWB, Wi-Media.

Экспериментально установлено, что при углах наклонах пластины в несколько градусов, вызванных опрокидывающими моментами в режиме резонанса, профиль отраженного СКИ фактически не претерпевает изменений. При исследовании формоизменения СКИ, отраженного от гофрированной поверхности, имитирующей реальный боковой профиль объекта, установлено, что радиоимпульс во временной области претерпевает существенные изменения, что не позволяет применить к нему фазодевиометрическую оценку на базе энергетического фазового метода. В то же время ФСПМ СКИ практически не изменяется. Этот факт отдает предпочтение в выборе группы спектральных методов - вейвлет-кепстральному анализу.

Виброиспытания в режиме подповерхностного зондирования через диэлектрик РЯ-4 толщиной 2 мм показали, что принятый СКИ фактически не изменяет формы, а энергетические потери СКИ, дважды прошедшего через диэлектрический экран, в основном связаны с частичным отражением радиоимпульса от границы раздела двух сред.

В качестве прикладной реализации радиоволнового метода использовался режим широкополосной вибрации. Для задающего виброакустического возмущения динамической головки использовался рендовый сигнал с нормальным распределением, среднеквадратичным отклонением виброперемещения 0,2 мм в полосе 0,001....1кГц. Из результатов испытаний следует, что временные эпюры распределения интенсивности широкополосной вибрации, полученные разными методами, фактически идентичны. Коэффициент корреляции с лазерным методом на временном интервале 1 мин составил от 0,89 до 0,81, что говорит о достоверности результатов исследований.

В заключении приведены основные результаты работы, подтверждающие, что сверхкороткоимпульсный метод может эффективно использоваться в решении задач радиоволновой вибродиагностики.

Произведен выбор и оптимизация гауссовской модели СКИ-сигнала без несущего частотного заполнения относительно БСС-маски ФСПМ распределения частот, для чего был предложен псевдослучайный алгоритм синтеза квазиоптимальной ФСПМ субнаносекундного радиоимпульса.

Теоретически и экспериментально показано влияние эффекта динамической ЭПР на особенности формоизменения профиля СКИ-сигнала. Установлено, что ФСПМ СКИ претерпевает меньшие формоизменения в сравнении с его представлением во временной области. Поэтому предпочтение отдается группе спектральных методов.

Показано, что в качестве обнаружения гауссовского СКИ целесообразно использовать череспериодный корреляционный обнаружитель, полагая, что в соседних периодах форма поля отраженного СКИ носит квазистационарный характер.

Представлены численные алгоритмы цифровой фильтрации и череспериодной фазодевиометрической оценки СКИ во временной и частотной областях, на основе которых разработан ряд подпрограмм в среде Ма1ЬаЬ. Для вейвлет-кепстрального анализа предложен метод уменьшения ошибки фазодевиометрической оценки путем расширения частотного окна логоспектра за счет дополнения числом нулей. Проведена корреляционная оценка воспроизводимости методов фазодевиометрической оценки с сигналом задающего генератора.

Показано, что основным фактором вносимых помех при РСЗ, являются эхо-сигналы многолучевого рассеяния элементами неоднородного пространства. Предложена модель радиоволнового канала. При этом исключение влияния шумов и помех в окне захвата достигается методами пространственно- и частотно-временной селекции, в качестве которых выбрано преобразование Габора и сингулярное шумоподавление.

Разработана фазодевиометрическая модель системы СКИ РСЗ. Проведен выбор оцениваемого виброметрического параметра - виброскорости как среднего значения интенсивности вибраций.

На базе принципов реализации технологии строб-фрейм-дискретизации осуществлена программная масштабно-временная модель виброметрической системы СКИ РСЗ, обеспечивающая ядро реализации программного моделирования и тестового режима отладки методов фазодевиометрической оценки.

В среде МаИ^аЬ разработана программа-эмулятор, реализующая технологию СФД, с помощью которой было установлено, что путем варьирования «-периодами стробирования можно обеспечить шумоподавление в окне захвата СКИ.

Для экспериментальных исследований из числа методов фазодевиометрической оценки выбраны энергетический фазовый и вейвлет-кепстрального анализа. На основе результатов численного моделирования показано, что с увеличением отношения сигнал-шум среднеквадратичная ошибка оценки виброперемещения имеет быстрый рост для первого метода при относительно невысоком отношении сигнал-шум, в то время как второй несколько уступает в пороговой чувствительности, однако обеспечивает помехоустойчивый режим обработки данных.

С целью оценки воспроизводимости и достоверности измерений использован корреляционный анализ полученных результатов с данными, зарегистрированными лазерным импульсным стетоскопическим методом, который показал, что предложенный метод СКИ РСЗ и выбранные численные алгоритмы фазодевиометрической оценки могут быть эффективно использованы в решении задач радиоволновой вибродиагностики.

Разработан экспериментальный макет устройства СКИ РСЗ на базе цифрового приемопередатчика серии ЫУА6201, реализующего технологию СФД. Из условия обеспечения заданной частотной полосы и требования узконаправленных облучаю-

17

щих свойств в качестве зондирующей выбрана модифицированная МПЛ-антенна Вивальди с экспоненциальным раскрывом.

Разработан виброакустический стенд для проведения виброиспытаний. Произведена экспериментальная оценка пороговой чувствительности радиоволнового метода. При этом разрешение по точности оценки виброперемещения можно улучшить не только увеличением отношения сигнал-шум, но и путем уменьшения длительности зондирующего СКИ.

Осуществлено экспериментальное исследование время-частотных характеристик отраженных СКИ-сигналов на предмет их формоизменения и влияния на воспроизводимость виброметрических данных, для чего была разработана спецификация режимов виброакустического возмущения зондируемой пластины. В качестве практической реализации СКИ радиоволнового метода выбран режим виброиспытаний поверхности широкополосной вибрацией.

На результаты научно-практических исследований получен акт о внедрении системы СКИ РСЗ.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В ведущих рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК

1. Будагян И.Ф., Костин М.С. Аналитическая модель сверхкороткоимпульсного радиосенсорного виброметрического локатора // Т-Сошш - Телекоммуникации и Транспорт, 2014. -№11.- С.52-56.

2. Будагян И.Ф., Костин М.С. Вибродиагностика кинематических схем устройств точной механики методом радиосенсорной сверхкороткоимпульсной фазовой девиометрии // Мехатроника, автоматизация, управление, 2015. - №2. Т.16. -С. 127-132.

3. Будагян И.Ф., Костин М.С. Методы цифровой обработки сверхкороткоим-пульсных сигналов при оценке малой угловой девиации фазораспределенных радиоимпульсов в системе радиосенсорной виброметрологической диагностики // Радиотехника и электроника, 2015. - №8. Т. 60. — С.1-10. (отдано в печать).

4. Костин М.С. Моделирование системы радиолокационной виброметрии // Т-Comm - Телекоммуникации и Транспорт. «Математическое моделирование систем и средств связи», 2013. -№11. - С. 97-101.

Публикации в других научных журналах

5. Будагян И.Ф., Костин М.С. Виброметрологическая оценка параметров виброакустических колебаний методами сверхкороткоимпульсной эхолокации // Эл. сетевой научно-метод. журнал «Вестник МГТУ МИРЭА / Herald of MSTU MIREA». 2014-№2(3).-С. 104-113.

6. Будагян И.Ф., Костин М.С. Радиоволновая субнаносекундная виброметрия // Эл. сетевой научно-метод. журнал «Вестник МГТУ МИРЭА / Herald of MSTU MIREA». 2015 -№1(6). - С. 96-122.

Опубликованные труды конференций

7. Будагян И.Ф, Костин М.С. Масштабно-временное моделирование сверхкорот-коимпульсного виброметрического локатора // Сб. науч. тр. X Международ, конф. «Наука и технологии: шаг в будущее-2014». Czech Technical University in Prague (CTU). - Прага: Education and Science, 2014. -4.33. -C. 65-70.

8. Будагян И.Ф. Костин М.С. Радиоволновая сверхкороткоимпульсная виброметрия механизмов и конструкций РЭС. // Сб. науч. тр. II Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы и перспективы развития радиотехнических и инфокоммуникационных систем». - М.: МГТУ МИРЭА, 2015. -4.2 - С.151-155.

9. Будагян И.Ф., Костин М.С. Программно-аппаратный сверхкороткоимпульс-ный виброметрологический радиоволновый сенсор // Материалы 17-й всероссийской молодежной научной школы-семинара «Актуальные проблемы физической и функциональной электроники» УФИРЭ РАН им. В.А. Котельникова. -Ульяновск: УлГТУ, 2014. - С. 140-141.

10. Будагян И.Ф., Костин М.С. Радиосенсорный виброметрический локатор // Сб. науч. тр. IX Международ, конф. «Наука и образование без границ-2013». Ака-demia Gorniczo-Hutnicza (AGH). - Перемышль.: Nauka i studia, 2013. - 4.46 -C.31-35.

11. Будагян И.Ф., Костин М.С. Фрейм-дискретизация сверхкороткоимпульсных сигналов. // Сб. науч. тр. II Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы и перспективы развития радиотехнических и инфокоммуникационных систем». - М.: МГТУ МИРЭА, 2015. - 4.1 - С.393-398.

12. Будагян И.Ф., Костин М.С. Численные методы оценки угловой девиации фа-зораспределенных сверхкоротких радиоимпульсов виброметрологических систем // Материалы Международ, науч.-техн. конференции «INTERMATIC-2014». Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения / Под ред. академика РАН A.C. Сигова. - М.: МГТУ МИРЭА, 2014, - 4.5. -С.121-125.

13. Костин М.С. Технологические аспекты радиоволновой виброметрии при не-разрушающем контроле несущих конструкций и механизмов радиоэлектронных средств // Сборник трудов 62-й научно-технической конференции МГТУ МИРЭА. - М.: МИРЭА, 2013. - Ч.З. - С. 114-119.

14. Костин М.С. Численные методы обработки сверхкороткоимпульсных сигналов радиосенсорных виброметрических систем. // Сб. докладов V научно-

технической конференции молодых ученых и специалистов «Актуальные вопросы развития систем и средств ВКО», ГСКБ АЛМАЗ-АНТЕЙ. - М.: ГСКБ АЛМАЗ-АНТЕЙ, 2014. - Гл.4 - С.381-387.

15. Костин М.С. Псевдослучайный алгоритм синтеза квазиоптимальной функции спектральной плотности мощности сверхкороткоимпульсных сигналов. // Сб. науч. тр. Школы молодых ученых «Перспективы развития радиотехнических и инфокоммуникационных систем». -М.: МГТУ МИРЭА, 2015.-С.105-111.

Труды конференций, входящие в РИНЦ

16. Будагян И.Ф., Костин М.С. Радиосенсорная виброметрологическая система на однокристальном приемопередатчике с прямой оцифровкой сверхкороткоим-пульсного сигнала. // Сб. науч. статей по итогам всероссийской НПК «Научный взгляд на современный этап развития общественных, технических, гуманитарных и естественных наук, актуальные проблемы», НОУ СПб ИПМ. -СПб.: КультИнформПресс, 2014. - С.19-24.

17. Будагян И.Ф., Костин М.С. Состояние и перспективы развития виброметрологической диагностики параметров механических колебаний методами сверх-короткоимпульсной радиолокации. // Труды СКФ МТУСИ. «ИНФОКОМ-2014». - Ростов-на-Дону.: ПЦ «Университет» СКФ МТУСИ, 2014. - 4.1. -С.222-226.

18. Костин М.С. Экспертная система радиосенсорного сбора виброметрических данных. // Труды Международной научно-методической конференции «Информатизация инженерного образования» — ИНФОРИНО-2014. - М.: Издательство МЭИ, 2014. - С. 369-370.

19. Budagyan I.F. Kostin M.S. Pseudocepstral methods the time-frequency localization ultrashort pulse signals in the radiowave systems of phase-deviametry assessment mechanical vibrations. // European Science and Technology: materials of the IX international research and practice conference, Munich. Germany.: publishing office Vela Verlag Waldkraiburg, 2014. -p.295-302.

Подписано в печать: 08.07.2015 Объем: 1,0 п.л. Тираж 100 экз. Заказ № 423 Отпечатано в типографии «Реглет» 119526, г.Москва, пр-т Вернадского, д.39 (495) 363-78-90; www.reglet.ru