Методы и средства повышения эффективности вычислительных устройств корреляционных лагов и их испытаний 05. 22. 19 – эксплуатация водного транспорта, cудовождение
На правах рукописи
Панченко Александр Алексеевич МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ КОРРЕЛЯЦИОННЫХ ЛАГОВ И ИХ ИСПЫТАНИЙ 05. 22. 19 – Эксплуатация водного транспорта, cудовождение
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Владивосток – 2007
Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Морском государственном университете имени адмирала Г. И. Невельского
Научный консультант: доктор технических наук, доцент Завьялов Виктор Валентинович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Малышенко Юрий Вениаминович;
кандидат технических наук, профессор Карасев Владимир Владимирович
Ведущая организация: Тихоокеанский военно-морской институт им. С. О. Макарова
Защита состоится 12 декабря 2007 г. в 14:00 часов в ауд. 241 на заседании диссертационного совета Д 223. 005. 01 в Морском государственном университете имени адмирала Г. И. Невельского: 690059, г. Владивосток, 59, ул. Верхнепортовая, 50а.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Морского государственного университета имени адмирала Г. И. Невельского Автореферат разослан “” ноября 2007 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Резник А. Г.
Общая характеристика работы
Актуальность темы. Автономное определение путевой скорости и угла сноса судна всегда являются одними из важнейших задач в судовождении. Это определяет повышенные требования к технико-экономическим характеристи кам лагов, поскольку информация от них совместно с данными от приборов курсоуказания позволяет осуществить непрерывное и автономное счисление и используется для исключения методических погрешностей других технических средств навигации.
Специалистами в области судовождения и приборостроения уделяется большое внимание вопросам совершенствования лагов, в том числе их работо способности на высокоманевренных судах, методам высокотехнологичного проектирования, а также расчетам инструментальных и методических погреш ностей.
Теоретические и экспериментальные исследования, проводимые с целью развития и совершенствования аппаратуры автономной навигации, привели к разработке корреляционных гидроакустических лагов, достаточно перспектив ных, по мнению отечественных и зарубежных ученых. В теоретическом и тех ническом аспектах эти лаги достаточно полно не изучены, мало исследований по обеспечению работоспособности лагов при больших начальных отклонениях в широком диапазоне измеряемых скоростей, методам увеличения их быстро действия и точности, проектированию вычислительных устройств.
С учётом сказанного можно утверждать, что разработка методов обеспе чения работоспособности лагов при больших начальных отклонениях в широ ком диапазоне измеряемых скоростей и методов увеличения их быстродействия и точности является актуальной задачей.
Научный базис для решения проблемы. Опубликованные в 1970– годах работы отечественных и зарубежных ученых (Боркус М. К., Воловов В.
И., Завьялов В. В., Козубовский С. Ф., Красовский А. А., Тарасенко В. П., An dermo I., Denbigh P. N., Dickey F. R. и др.) по корреляционно-экстремальным системам, корреляционным лагам позволяют сделать выводы о возможности практического использования нескольких способов измерения скорости пер спективных для технической реализации. Задачи статистического анализа сто хастических процессов, разработки методов и технических средств анализа спектральных и корреляционных характеристик случайных процессов, форми рования отрезков реализаций случайных процессов с заданными корреляцион ными и спектральными характеристиками на основе цифровой фильтрации описаны в литературе (Быков В.В., Грибанов Ю. И., Мирский Г. Я., Бендат Дж., Марпл-мл. С. Л., и др) и служат базой для специальных исследований навига ционной аппаратуры, в том числе лагов.
Цель работы. Совершенствование корреляционных лагов с целью обес печения работоспособности при больших начальных отклонениях в широком диапазоне скоростей, увеличения быстродействия на основе использования до полнительного канала управления и разработка методов проектирования вы числительных устройств.
Предметом исследования является разработка новых систем обеспече ния безопасности плавания, а объектом исследования – методы обеспечения работоспособности корреляционных гидроакустических лагов при больших на чальных отклонениях в широком диапазоне скоростей и увеличения быстро действия на основе использования дополнительного канала управления.
Для достижения цели в работе поставлены и решены следующие науч ные задачи:
1. Разработка методов устранения больших начальных отклонений в вы числительных устройствах лагов обеспечивающих работоспособность в широ ких диапазонах измеряемых скоростей, синтез алгоритмов формирования ста тических характеристик и функциональных схем лагов.
2. Разработка метода оценки быстродействия полярного дискретного коррелятора, синтез алгоритма формирования статической характеристики вы числительного устройства и функциональной схемы лага с повышенным быст родействием и точностью.
3. Разработка методики проектирования вычислительных устройств ши рокодиапазонных лагов с повышенным быстродействием и точностью.
4. Синтез структурных и функциональных схем вычислительных уст ройств лагов для измерения модуля скорости и продольной скорости судна с использованием широтно-импульсной модуляции для сохранения информации об амплитудах сигналов.
5. Уточнение классификационной таблицы лагов с включением в нее вновь разработанных схем построения вычислительных устройств измерителей скорости.
6. Разработка имитатора псевдослучайных аналоговых сигналов с воз можностью изменения транспортного запаздывания при одновременном изме нении спектральных и корреляционных характеристик сигналов.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Методы устранения больших начальных отклонений в вычислитель ных устройствах корреляционных лагов с повышенным быстродействием и точностью.
2. Новые типы вычислительных устройств гидроакустических лагов 3. Имитатор аналоговых псевдослучайных сигналов с заданными корре ляционными и спектральными характеристиками.
Методы исследования. При решении поставленных научных задач ис пользовались методы теории автоматического управления, корреляционного и спектрального анализа стохастических процессов, теории фильтрации, натур ного эксперимента и схемотехнического моделирования.
Научная новизна работы заключается в: разработке методов обеспече ния работоспособности, повышения точности и быстродействия, проектирова ния вычислительных устройств корреляционных лагов в широком диапазоне измерения скоростей;
разработке новых типов вычислительных устройств лагов для измерения модуля полной скорости и продольной скорости;
уточнении классификации лагов с линейной базой направленных приемников (ЛБНП);
разработке метода аппаратного моделирования огибающих амплитуд эхосигна лов, принятых антенной системой измерителя скорости с ЛБНП, с учетом ха рактеристик приемно-излучающего тракта, отражающей поверхности и движе ния носителя с углом сноса, позволяющего повысить эффективность стендовых испытаний и существенно сократить этап морских испытаний.
Достоверность результатов доказывается использованием апробирован ного математического аппарата и совпадением результатов теоретических ис следований с данными машинного моделирования, стендовых и натурных ис пытаний образцов гидроакустических лагов с ЛБНП в лабораторных и реаль ных условиях.
Практическая ценность работы заключается в разработке рекоменда ций по выбору алгоритмов и построению вычислительных устройств лагов с ЛБНП с учетом условий эксплуатации и разработке методики их проектирова ния. Важными практическими результатами являются разработка новых типов лагов с ЛБНП и сокращение времени их проектирования при применении по лученного метода аппаратного формирования огибающих амплитуд эхосигна лов, принятых антенной системой лага при движении судна с углом сноса.
Тема связана с НИР и ОКР, проводимыми на кафедре “Технические сред ства судовождения” в ФГОУ ВПО МГУ (ДВВИМУ, ДВГМА) им. адм. Г. И. Не вельского в соответствии с общесоюзной программой “Океан”;
планами НИР МТ (ММФ) на 1977-2001 гг.;
федеральными целевыми программами “Мировой океан” (1998–2012 гг.) и “Модернизация транспортной системы России” (2002– 2010 гг.), планами НИР вуза в рамках тем “Датчики навигационной информа ции для судового измерительного комплекса”, “Исследование и разработка дат чиков навигационной информации для обеспечения безопасности судовожде ния”, “Повышение эффективности технических средств навигации и разработка методов их комплексного использования”.
Реализация результатов работы. Результаты работы непосредственно использованы при выполнении госбюджетных и хоздоговорных научно исследовательских работ на кафедре “Технические средства судовождения” ФГОУ ВПО МГУ им. адм. Г. И. Невельского.
Выводы и рекомендации, полученные при разработке диссертации, вне дрены в процесс обучения курсантов и студентов ФГОУ ВПО МГУ им. адм.
Г. И. Невельского (лекции, курсовое и дипломное проектирование).
Апробация результатов работы. Основные теоретические положения подтверждены при машинном моделировании и экспериментальных испытани ях макетных образцов гидроакустических лагов с ЛБНП на исследовательских судах и лабораторных стендовых испытаниях с использованием имитатора оги бающих амплитуд эхосигналов. При разработке программ для ЭВМ, макетных образцов лагов с ЛБНП и имитатора сигналов использованы результаты теоре тических исследований, изложенные в диссертационной работе.
Материалы работы были доложены и одобрены на: ежегодных НТК ДВВИМУ (ДВГМА, МГУ) им. адм. Г. И. Невельского (1978–2006 гг.), между народной научно-технической конференции “Наука – морскому образованию на рубеже веков” – 2000 г., региональной научно-практической конференции “Техническая эксплуатация флота. Пути совершенствования” – 2005 г., шестой международной научно-практической конференции “Проблемы транспорта Дальнего Востока” – 2005 г.
Публикации. По результатам исследований опубликовано 27 работ, в том числе 9 без соавторства, получено 10 авторских свидетельств СССР на изо бретения и 3 патента РФ на полезную модель.
Структура и объём диссертации. Диссертация представлена на 164 лис тах машинописного текста и состоит из введения, трех глав, заключения, спи ска использованных источников и одного приложения. Работа содержит 39 ри сунков, 5 таблиц и список использованных источников из 110 наименований.
Основное содержание работы
Во введении кратко рассмотрена роль лагов в решении задач судовожде ния и особенности корреляционных лагов как одного из типов корреляционно экстремальных систем. Обоснована актуальность и сформулирована цель рабо ты, дано краткое изложение результатов работы.
В первой главе проведён анализ способов измерения скорости судов с ис пользованием методов корреляционной обработки сигналов и анализ способов обработки сигналов, позволяющих упростить аппаратную реализацию вычис лительных устройств лагов.
Рассмотрены аналитические зависимости при дифференциальных спосо бах автоматизации поиска экстремума для статических характеристик взаимно корреляционного способа, позволяющего измерять так называемую кажущуюся (индицируемую) скорость;
взаимно автокорреляционных, позволяющих изме рять модуль полной скорости и продольную (курсовую) скорость. Отмечен су щественный недостаток взаимно корреляционного способа, не обеспечивающе го работоспособность измерителей при больших начальных отклонениях.
Проведён анализ структурных схем корреляторов и синтезирован алго ритм формирования статической характеристики для полярного коррелятора.
Проведён обзор литературных источников по использованию широтно импульсной модуляции для сохранения информации об амплитудах сигналов, что существенно для аппаратной реализации взаимно автокорреляционных способов измерения скорости.
Проведён анализ функциональных схем лагов, разработанных и апроби рованных при участии автора, получены аналитические выражения для сравни тельной оценки способов построения делителей с управляемым коэффициен том деления в полярном дискретном корреляторе.
По результатам проведённых теоретических исследований сделаны выво ды, в которых сформулированы научные задачи, требующие решения.
Вторая глава посвящена синтезу форм статических характеристик и алго ритмов их формирования для устранения больших начальных отклонений в корреляторах, разработке функциональных схем новых вычислительных уст ройств лагов с повышенным быстродействием и точностью в широких диапа зонах измерения скоростей, разработке методики проектирования вычисли тельных устройств лагов, разработке структурных и функциональных схем но вых вычислительных устройств лагов с использованием широтно-импульсной модуляции и классификации гидроакустических лагов с ЛБНП.
Для взаимно корреляционного способа измерения синтезирован алгоритм формирования статической характеристики в полярном дискретном коррелято ре с дифференциальной схемой автоматизации поиска экстремума, имеющий вид:
0 N n U U 1 t P U U 1 t P 0 U U 1 t P U U 2 t n t (1) 0 U U 1 t P U U 1 t P 0 U U 1 t P U U 2 t n t, 0 где U 1t, U 2t U1t T – огибающие амплитуд эхосигналов на выходах центрирующих фильтров первого и второго приемников, подключённых соот ветственно к первому (по направлению движения) и второму приемным преоб разователям;
T – транспортная задержка сигнала U 2t ;
U+… – операция од ностороннего ограничения;
U+ U 1t P – сигналы на выходе блока регули руемого запаздывания коррелятора;
U+( U 1t P ) – сигналы на выходе блока постоянного запаздывания;
nt – тактовые импульсы малой длительно сти, которые можно считать -импульсами, с частотой повторения fn;
Nn – сигнал рассогласования в виде пачек импульсов. Статическая характеристика пересекает ось абсцисс (задержки по времени) при величине задержки:
P 2. (2) Зона захвата и слежения в корреляторе равна величине – дополнитель ной задержке по времени в блоке постоянного запаздывания, и только в преде лах этой зоны дифференциальная схема действительно является беспоисковой.
Статическая характеристика такого типа характерна для коррелятора с фазовым детектором.
Фазо-частотные детекторы, используемые в системах фазовой автопод стройки частоты при детерминированных сигналах, обладают статической ха рактеристикой, которая применительно к полярному коррелятору измерителя скорости будет иметь вид:
при P, U C 0 0 U k M signU 1t P signU 1t P signU 2t при P P, U C при P, где UC – сигнал рассогласования постоянной величины, формируемый при больших отклонениях. Корреляционные устройства со статическими характе ристиками фазо-частотного детектора устраняют большие отклонения без ис пользования сигналов от внешних устройств. В корреляторе лага реализован алгоритм формирования статической характеристики в виде:
0 N n U U 1t P U U 1t P 0 U U 1t P U U 2t n t (4) 0 U U 1t U U 1t P P 0 U U 1t P U U 2t n t QD t, где QD(t) – выходной сигнал синхронного D-триггера с прямым динамическим управлением по входу C и прямой асинхронной установкой S. D-триггер входит в дополнительный канал управления. Сигнал на выходе D-триггера устанавли вается в соответствии с логическим выражением:
QD t C D S R. (5) Сигналы на входах триггера формируются следующим образом:
0 D 0, C U U 2 t U U 2 t d, R 0, (6) 0 0 S U U 1t P U U 1t P U U 1t P C, (7) где d – вспомогательная задержка для осуществления операции дифференци рования по фронту каждого импульса дискретного сигнала U+( U 2t ).
В этом случае начальная частота повторения fn тактовых импульсов сдви га задаётся минимально возможной, а поиск экстремума начинается со значе ния максимальной задержки по времени Рmax в первом регистре сдвига БРЗ.
Сигнал QD(t) запрещает подачу сигналов на вход вычитания реверсивного счёт чика при условии, что T P. Сигнал по входу S снимает запрет подачи сигна лов на вычитание при устранении большого отклонения.
Разработана и апробирована схема лага [8], реализующая этот вариант статической характеристики коррелятора измерителя скорости.
При минимальной частоте следования fn тактовых импульсов возрастает погрешность в результате дискретизации импульсов клиппированного сигнала U+ U 1t в первом триггере регистра сдвига БРЗ и поэтому замедляется и за трудняется поиск экстремума взаимной корреляционной функции и увеличива ется время получения достоверного значения измеренной скорости.
Предложен оптимальный алгоритм формирования статической характе ристики полярного дискретного коррелятора измерителя скорости (8), в кото ром сигнал QD(t) на выходе D-триггера устанавливается в соответствии с логи ческим выражением (5).
0 N n U U 1t P U U 1t P 0 U U 1t P U U 2t n t QD t (8) 0 U U 1t P U U 1t P 0 U U 1t P U U 2t n t, Сигналы на входах триггера формируются следующим образом:
0 D 0, C U U 2 t U U 2 t d, R 0, (9) 0 0 0 t P U U 1t P U U 2t U U 2t d, (10) S U U 1 где d – вспомогательная задержка для осуществления операции дифференци рования по срезу каждого импульса дискретного сигнала U+ U 2t.
В этом случае начальная частота повторения fn тактовых импульсов сдви га задаётся максимально возможной, а поиск экстремума начинается со значе ния минимальной задержки по времени Рmin в первом регистре сдвига БРЗ.
Сигнал QD(t) запрещает подачу сигналов на вход суммирования реверсивного счётчика при выполнении условия TP. Сигнал по входу S снимает запрет подачи сигналов на суммирование при устранении большого отклонения.
Разработана функциональная схема лага [9] с полярным дискретным кор релятором и дополнительным каналом управления, обеспечивающим устране ние больших начальных отклонений, в соответствии с алгоритмом (8).
Для оценки быстродействия коррелятора измерителя скорости тактовые импульсы представляются в виде последовательности -импульсов. Определе но количество импульсов, поступающих на суммирование в реверсивный счёт чик:
T f n 2 f n cos 2kf nt dt nCP P k (11) f n T P cos kf n T P sin kf n T P.
k 1 k Первое слагаемое в выражении (11) систематическая текущая погрешность.
Второе слагаемое обусловлено наличием во входном сигнале реверсивного счетчика гармоник с частотами kfn. Это погрешность дискретизации сигнала U+ U 1(t ) по времени.
Частота повторения n тактовых импульсов на выходе делителя с управ ляемым коэффициентом деления определяется по выражению:
2 1 Qn, b (12) f n f GN K Dn f GN где GN – частота повторения импульсов генератора, b – количество разрядов делителя подключённых к выходам разрядов реверсивного счётчика, Qn – мгновенное значение кода занесённого в разряды делителя. Абсолютная вели чина систематической погрешности, в режиме слежения:
1 f n T P f n 2 f n a 2 f n a 2, (13) где a – количество разрядов регистра сдвига БПЗ. Относительную величину по грешности находим по формуле 1 1 K Dn a 2 K Dn, (14) так как величина коэффициента деления KDn однозначно связана с величиной измеряемой скорости Vn движения объекта. Относительная величина погреш ности изменяется. Погрешность меньше при малых скоростях движения объек та, когда величина коэффициента деления ДУКД KDn велика и погрешность возрастает при больших скоростях движения объекта, когда величина KDn уменьшается. Быстродействие вычислительного устройства меньше при малых 0 скоростях движения, так как импульсы сигналов U+( U 1(t ) ) и U+( U 2(t ) ) появ ляются реже, а среднее количество счетных импульсов остается постоянным 0 при поступлении каждого импульса сигналов U+( U 1(t ) ) и U+( U 2(t ) ). Это сни жает темп поступления счетных импульсов на вход реверсивного счетчика.
Предложено на вход логического решающего устройства коррелятора по давать импульсы от генератора через делитель с постоянным коэффициентом деления:
f 0 f GN K 0. (15) Абсолютная величина систематической погрешности:
2 f 0 T P f 0 2 f GN aK Dn K 0 2 f GN aK Dn 2 K 0. (16) Относительная величина погрешности 2 2 K Dn a 2 K 0, (17) остается неизменной во всем диапазоне измеряемых скоростей.
Алгоритм формирования статической характеристики полярного дис кретного коррелятора с повышенным быстродействием синтезирован в сле дующем виде:
0 0 N n U U 1t P U U 1t P 0 U U 1t P U U 2t 0 0 U U 1t P U U 1t P 0 U U 1t P U U 2t n t QD t 0 0 U U 1t P U U 1t P 0 U U 1t P U U 2t 0 0 U U 1t P U U 1t P (18) 0 U U 1t P U U 2t n t, где n(t) – импульсы с частотой повторения 0, QD(t) – задается выражениями (5), (9), (10).
Быстродействие вычислительного устройства не зависит от скорости движения. Снижение темпа поступления счетных импульсов при малой скоро сти движения компенсируется увеличением среднего количества счетных им 0 пульсов при поступлении каждого импульса сигналов U+( U 1(t ) ) и U+( U 2(t ) ).
Разработана функциональная схема лага с повышенным быстродействием и точностью, работоспособного в широком диапазоне измеряемых скоростей, изображенная на рисунке 1. Схема объединения 13, схема совпадения 16, фор мирователь 24, триггер 25 с соответствующими связями образуют канал управ ления обеспечивающий устранение больших начальных отклонений. Схемы совпадения 17, 18, схемы объединения 19, 20, делитель частоты 21 и инвертор 23 с соответствующими связями обеспечивают увеличение быстродействия и точности корреляционного лага.
9 10 11 12 14 15 17 19 7 27 26 5 1 22 3 2 1 – генератор;
2 – вибратор-излучатель;
3, 4 – первый и второй вибраторы-приемники;
5, 6 – первый и второй приемники с амплитудными детекторами;
7, 8 – первый и второй усилите ли-ограничители;
9 – первый регистр сдвига (БРЗ);
10 – второй регистр сдвига (БПЗ);
11, 12 – первый и второй триггеры;
13 – первая схема объединения (схема ИЛИ);
14, 15, 16, 17,18 – первая, вторая, третья, четвертая и пятая схемы совпадения (схемы И);
19, 20 – вторая и тре тья схемы объединения (схемы ИЛИ);
21 – делитель частоты с постоянным коэффициентом деления;
22 – тактовый генератор (GN);
23 – схема отрицания (схема НЕ);
24 – первый фор мирователь;
25 – третий триггер;
26 – реверсивный счетчик (РевСч);
27 – второй формирова тель;
28 – делитель частоты с управляемым коэффициентом деления (ДУКД);
29 – блок от счета.
Рисунок 1 – Корреляционный измеритель скорости с повышенным быстродействием и точностью [11] Количество импульсов в пачках на выходах схем объединения 19, 20, по ступающих на суммирование и вычитание в режиме слежения:
N a 2 b 1 Qn K 0. (19) Количество импульсов N в пачках увеличивается при уменьшении скоро сти движения объекта и уменьшении величины кода Qn, когда спектр частот сигналов U1(t) и U2(t) низкочастотный. Количество импульсов N в пачках уменьшается при увеличении скорости движения объекта и увеличении вели чины кода Qn, когда спектр частот сигналов U1(t) и U2(t) смещается в область верхних частот.
Быстродействие измерителя скорости поддерживается неизменным в ши роком диапазоне измеряемых скоростей. Количество импульсов в пачках больше, чем в ранее разработанных моделях лагов. Таким образом, увеличива ется крутизна статической характеристики, формируемой в корреляторе, и, сле довательно, возрастает быстродействие измерителя скорости и точность изме рения скорости движения объекта.
Для проектирования корреляторов лагов введён коэффициент перекрытия по скорости: KV Vmax Vmin T max T min K Dn max K Dn min, где KDn – коэффи циент деления делителя с управляемым коэффициентом деления.
Количество разрядов a регистра сдвига БПЗ выбирается из условия a 1 0 6, где 0 – заданная относительная погрешность дискретизации по времени самого короткого импульса сигнала U+ U 1t. Значение a должно вы бираться из ряда значений удовлетворяющих условию, полученному при ана лизе быстродействия коррелятора: ka/2= (2n+1), где n=0, 1, 2, 3, 4, 5 и т.д., номер гармоники k=1.
Значение коэффициента деления делителя с постоянным коэффициентом деления: K 0 a 22, где 2 – относительная погрешность измерения скоро сти лагом по схеме на рисунке 1. Частота повторения импульсов тактового ге нератора: f GN a K, где K – интервал корреляции сигнала U+ U 1t. Значе ние максимально допустимой величины кода предустановки, заносимого в ре версивный счетчик при включении измерителя скорости, принимается равным:
Qn max 2b 1 2a, где b – количество разрядов ДУКД управляемых от разря дов реверсивного счётчика. Минимальный коэффициент деления ДУКД:
K Dn min 2 a. Максимальная частота повторения импульсов на выходе ДУКД:
f n max fGN 2a. Количество разрядов регистра сдвига БРЗ:
q q T max f GN K Dn min a 2. Значение минимально допустимой величины кода предустановки, накопленного в реверсивном счетчике: Qn min 2a. Максималь ный коэффициент деления ДУКД: K Dn max 2b 1 2a. Количество разрядов ДУКД, подключённых к выходам реверсивного счётчика:
b a log 2 KV 1 2 a.
Синтезирована структурная схема коррелятора с использованием ШИМ для измерения продольной скорости движения судна, представленная на рисун ке 2 и разработана функциональная схема лага [12].
Синтезирована структурная схема коррелятора с ШИМ для измерения модуля полной скорости и разработана функциональная схема лага [13].
ЭР U1(t) БРЗ МнУ ФНЧ ШИМ (q) – + U2(t) ВУ ШИМ – широтно-импульсный модулятор;
ВУ – вычитающее устройство;
БРЗ – блок регули руемого запаздывания;
МнУ – множительное устройство;
ЭР – экстремальный регулятор Рисунок 2 – Структурная схема коррелятора с ШИМ при ВАКК способе измерения скорости В диссертационных исследованиях была существенно переработана и расширена классификационная таблица гидроакустических лагов с линейной базой направленных приёмников, исходя из многообразия способов измерения скоростей и возможных вариантов их технических реализаций, с учётом ре зультатов исследований. Представленная схема классификации содержит шесть уровней и производится по виду локации;
количеству приёмных гидроакусти ческих преобразователей в антенной системе и виду ориентации их характери стик направленности;
режимам излучения;
видам модуляции излучаемого сиг нала и способам выделения огибающих амплитуд эхосигналов для измерения составляющих вектора скорости судна;
по виду основной функции и способам измерения скорости (прямые и косвенные способы оценки корреляционных функций, интерполяционные);
способам определения положения экстремума корреляционной функции и количеству моделей объекта регулирования в вы числительных устройствах;
способам получения выборок отсчётов, видам за держки по времени в моделях и методам вывода измерителей в область экстре мума при больших начальных отклонениях. Каждый последующий уровень яв ляется продолжением отдельных выходов предыдущего уровня. В разработан ной классификации систематизированы сведения о лагах, позволяющие синте зировать на нижнем уровне более 10000 типов лагов с линейной базой направ ленных приёмников, при описании которых используется единая терминология.
В качестве примера проведено описание моделей лагов разработанных автором лично и в коллективе.
В третьей главе проведён анализ корреляционных функций отраженных сигналов, синтезирована структурная схема имитатора псевдослучайных анало говых сигналов, проведено моделирование отдельных функциональных узлов имитатора сигналов и вычислительных устройств лагов.
При сильно расчлененном рельефе дна и крупномасштабных неровностях нормированная функция автокорреляции огибающей эхосигналов, как извест но, описывается функциональной зависимостью вида sin(z)/z, где z – параметры приемно-передающего тракта и скорости судна. Аналоговые сигналы, имеющие подобные коэффициенты корреляции, формируются из дискретного белого шума цифровыми усредняющими фильтрами с конечной импульсной характе ристикой, основанными на реализации специальной весовой функции конечной длительности – окна Дирихле.
Имитатор (рисунок 3) – источник двух стохастических аналоговых сигна лов, с взаимной корреляционной связью, с возможностью задания различных значений временного сдвига между ними и изменяющимся при этом спек тральным составом сигналов.
fT ГПСП1 РГ1 ГПСП ЦТФ1 ЦТФ2 ЦТФ У1 У2 У U1(t) У fmod U2(t) Мод.1 Распр. Мод. имп.
U1 * (t) U2 * (t) ГПСП1(2) – первый (второй) генераторы псевдослучайной последовательности;
РГ1 – пер вый регистр сдвига;
ЦТФ1(2, 3)– первый (второй и третий) цифровые трансверсальные фильтры;
У1(2, 3) – первый (второй и третий) усилители;
У4 – суммирующий усилитель;
Мод.1(2) – импульсные модуляторы 1(2) Рисунок 3 – Функциональная схема имитатора псевдослучайных аналоговых сигналов Временное запаздывание сигналов, их спектральный состав и величина корреляционной связи изменяются достаточно простыми способами. Имитиру ется непрерывное и импульсное излучение.
Проведено моделирование узла логического решающего устройства кор релятора лага изображенного на рисунке 1. Результаты моделирования пред ставлены на рисунке 4.
Рисунок 4 – Временные диаграммы сигналов d(OUT1), d(OUT2) Выходные сигналы поступают в реверсивный счётчик на суммирование и вычитание в режиме слежения, количество импульсов в пачках определяется по выражению (19). Количество пачек импульсов увеличилось вдвое, количество импульсов в пачках зависит от скорости движения судна.
Заключение В диссертационной работе, на основе выполненных исследований, полу чены следующие основные научные результаты и выводы:
1. Предложены методы устранения больших начальных отклонений в полярных корреляторах, способных работать в широких диапазонах измеряе мых скоростей.
2. Получены математические выражения для оценки быстродействия и величин погрешностей, сравнительной оценки способов построения делителей с управляемым коэффициентом деления в полярных дискретных корреляторах.
3. Синтезированы алгоритмы и разработана структурная схема полярно го дискретного коррелятора и функциональная схема лага с повышенным быст родействием и точностью.
4. Синтезированы структурные и функциональные схемы измерителей модуля полной скорости и продольной скорости судна с использованием ши ротно-импульсной модуляции для сохранения информации об амплитудах сиг налов и повышения точности измерений.
5. Предложены методы уменьшения погрешностей и даны рекоменда ции для выбора оптимальной структуры дискретных полярных корреляторов широкодиапазонных лагов с повышенным быстродействием и точностью.
6. Разработан имитатор псевдослучайных аналоговых сигналов для про верки и настройки корреляционных и интерполяционных лагов с учетом харак теристик приемоизлучающего тракта и движения судна с углом сноса.
7. Уточнена и расширена классификационная таблица лагов с включени ем в нее вновь разработанных схем построения вычислительных устройств из мерителей скорости с линейной базой направленных приемников, которая при водит в единую систему терминологию в этой области научных исследований.
Основные работы, в которых опубликованы результаты исследова ния:
1. Артемьев, А. В. Уточнение классификации измерителей скорости с линейной базой направленных приемников [Текст] / А. В. Артемьев, В. В. Во робьев, В. В. Завьялов, А. А. Панченко // Мат-лы шестой междунар. науч. практич. конф. 5–7 октября 2005 г.– Владивосток: ДВО Российской Академии транспорта, 2005. – С. 93–95.
2. Панченко, А. А. Методика расчета параметров цифрового полярного коррелятора измерителя скорости движения [Текст] / А. А. Панченко // Вест ник Морского государственного университета. Сер. Судовождение. – Владиво сток: МГУ им. адм. Г. И. Невельского, 2004.– Вып. №2. – С.101 – 107.
3. Панченко, А. А. Способ обеспечения работоспособности широкодиа пазонных корреляционных измерителей скорости [Текст] / А. А. Панченко // Вестник Морского государственного университета. Сер. Судовождение. – Вла дивосток: МГУ им. адм. Г. И. Невельского, 2004. – Вып. №2. – С. 94 – 101.
4. Панченко А. А. Способ увеличения точности цифрового полярного коррелятора [Текст] / А. А. Панченко // Вестник Морского государственного университета. Сер. Судовождение. – Владивосток: МГУ им. адм. Г. И. Невель ского, 2004. – Вып. №2. – С. 89 – 94.
5. Панченко, А. А. Корреляционный измеритель курсовой скорости дви жения судна. [Текст] / А. А. Панченко // Материалы региональной научно практической конференции «Техническая эксплуатация флота – пути совер шенствования». – Владивосток: МГУ. – 2005. – С. 163 – 168.
6. Панченко, А. А. Корреляционный измеритель модуля скорости с ана лого-дискретным коррелятором [Текст] / А. А. Панченко // Материалы регио нальной научно-практической конференции «Техническая эксплуатация флота – пути совершенствования». – Владивосток: МГУ. – 2005. – С. 168 –173.
7. Панченко, А. А. Погрешности цифрового полярного коррелятора [Текст] / А. А. Панченко, В. В. Воробьев // Вестник Морского государственного университета. Сер. Судовождение. – Владивосток: МГУ им. адм. Г. И. Невель ского, 2004. – Вып. №2. – С. 107 – 112.
Работы, опубликованные в изданиях, рекомендованных ВАК РФ А. с. 1070482 СССР, МКИ3 G01P 3/64. Корреляционный измеритель 8.
скорости [Текст] / Б. Г. Абрамович, В. В. Завьялов и А. А. Панченко (СССР). – № 3462115/18-10;
заявлено 24.05.82;
опубл. 30.01.84, Бюл. № 4. – 4 с.
А. с. 1275294 СССР, МКИ3 G01P 3/80. Корреляционный измеритель 9.
скорости [Текст] / Б. Г. Абрамович, В. В. Завьялов, А. А. Панченко и А. В. Ар темьев (СССР). – № 3850586/24-10;
заявлено 29.12.84;
опубл. 07.12.86, Бюл. № 45. – 6 с.
10. Завьялов, В. В. Статистические характеристики амплитуд огибающих эхосигналов, отраженных от неровных поверхностей [Текст] / В. В. Завьялов, А. В. Артемьев, А. А. Панченко // Транспортное дело России. – М. : Морские вести России, 2005. – Спецвыпуск № 3. – С. 32–34.
11. Патент №33236 РФ на полезную модель, МПК7 G 01 P 3/80. Корреля ционный измеритель скорости [Текст] / А. А. Панченко (РФ). – Опубл. Бюл.
№28, 2003. – 4 с.
12. Патент №40489 РФ на полезную модель, МПК7 G 01 P 3/80. Корреля ционный измеритель скорости [Текст] / А. А. Панченко (РФ). – Опубл. Бюл.
№25, 2004. – 2 с.
13. Патент №47530 РФ на полезную модель, МПК7 G 01 P 3/80. Корреля ционный измеритель скорости [Текст] / А. А. Панченко (РФ). – Опубл. Бюл.
№24, 2005. – 4 с.
Личный вклад автора. Работы 2, 3, 4, 5, 6, 11, 12, 13 опубликованы лич но. В работе 1 автор расширил и дополнил классификацию на основе синтези рованных алгоритмов и разработанных структурных схем вычислительных уст ройств. В работе 7 автор участвовал в постановке задачи, разработке модели, получении аналитических выражений оценки погрешностей. В работах 8, автор участвовал в постановке задач, разработке функциональных схем. В ра боте 10 автор участвовал в постановке задач, уточнении моделей.
Панченко Александр Алексеевич МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ КОРРЕЛЯЦИОННЫХ ЛАГОВ И ИХ ИСПЫТАНИЙ Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Лицензия ИД № 05693 от 27. 08. Формат 60 841/ Усл. изд. л. 1,0;
уч.-изд. л. 1, Тираж 100 экз. Заказ № Отпечатано в типографии ФГОУ ВПО МГУ им. адм. Г. И. Невельского 690059, г. Владивосток, ул. Верхнепортовая, 50а