Пенсионер
Нет
УДК 53.087, 681.2
Введение.
Существующий подход к построению измерительных систем предполагает использование временной дискретизации сигнала с одинаковым и неизменным временным интервалом. При такой организации регистрации сигнала:
Существует неустранимое противоречие между необходимостью повышать разрешением и сохранять требуемое соотношение сигнал/шум. Другим противоречием является необходимость получать информацию все с большим пространственно-временным разрешением и неизменностью свойств исследуемой среды, из-за влияния самого процесса измерения. Особенно это касается протяженных непрерывных сред, где термодинамика процессов играет не последнюю роль. Кроме того, повышение точности измерений имеет дополнительные ограничения обусловленные временной изменчивостью самой среды.
В этих условиях попытки уменьшить погрешность измерений сигнала путем увеличения интервала дискретизации сигнала блокируются сопутствующим ухудшением пространственно-временного разрешения. Такое противоречие, требует для своего разрешения качественно иной организации дискретных отсчетов регистрируемого сигнала, когда интервал регистрации отдельного отсчета напрямую не связан с требуемым пространственно-временным разрешением.
Цель статьи.
Представить результаты моделирования оригинальной дискретизации временной структуры сложных негармонических сигналов полученных от различных непрерывных сред.
Научная новизна.
Предложен метод дискретизации сигнала наблюдаемого процесса с изменяющейся по выборке длительностью от отсчета к отсчету, позволяющей повысить точность измерений, уменьшить динамический диапазон и обеспечить корректное исследование среды как цельного термодинамического образования.
Методология
Предлагается использовать интервалы регистрации отсчетов сигнала, временная протяженность которых соизмерима с временем полной выборки сигнала [1,2,3]. Причем моменты начала регистрации соседних пар дискретных отсчетов совпадают, а моменты конца регистрации смещены на шаг дискретизации, соответствующий необходимому пространственно-временному разрешению и наоборот.
Рис. 1. Принцип временной организации двойной (встречной) дискретизации отсчетов приходящего непрерывного сигнала (в выбранном интервале измерений).
В приведенном примере по сигналам в двух соседних, частично совмещенных интервалах определяются средние характеристики среды на соответствующих участках, а по соотношению значений полученной пары данных - характеристику среды не совмещенного участке, с требуемым разрешением, при опосредованном учете свойств среды по всей выборке, как цельного образования.
Такие действия для всех подобных пар интервалов измерений сигнала позволяют получить характеристики среды с необходимым пространственно-временным разрешением, при высокой точности измерений сигнала в каждом сформированном отсчете.
Описываемый подход базируется не на значении характеристики в точке, а на более естественном понятии средней характеристики на выбранном участке соизмеримого с протяженностью полной выборки сигнала.
В модельных расчетах использованы данные о сигнале рассеяния и уровне фоновых засветок полученные при лидарном зондировании атмосферы. Будем называть использованную лидарную систему базовой системой I.
Модельные стробы формировались суммированием сигнала полученного в отдельных отсчетах базовой системы I, в пренебрежении просчетов сигнала между соседними каналами регистрации. Такую организацию дискретизации сигнала с нарастающими интервалами регистрации назовем модельной системой II.
Системы сравнивались по мощностям излучения, необходимым для получения заданного отношения сигнал/фон при различной замутненности атмосферы и разных дальностях зондирования1.
Ниже приведены результаты сравнения систем I и II по мощности (Мвт) необходимой для сохранения соотношения сигнал/шум = 10. Результаты представлены ниже.
Таблица 1
Система |
σ |
L |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
10 |
15 |
30 |
I |
0.01 |
|
0,61 |
2,43 |
5,52 |
9,96 |
15,80 |
69,60 |
173,00 |
930 |
II |
0.01 |
|
0,35 |
0,67 |
1,00 |
1,34 |
1,62 |
1,89 |
2,21 |
10 |
I |
0.1 |
|
0,07 |
0,35 |
0,95 |
2,06 |
3,91 |
42,30 |
258,00 |
2070 |
II |
0.1 |
|
0,04 |
0,08 |
0,12 |
0,17 |
0,21 |
0,44 |
0,70 |
1,40 |
I |
0.3 |
|
0,04 |
0,26 |
1,07 |
3,44 |
9,76 |
77,90 |
3500 |
150000 |
II |
0.3 |
|
0,02 |
0,04 |
0,06 |
0,09 |
0,11 |
0,26 |
0,38 |
0,44 |
I |
1 |
|
0,05 |
1,35 |
22,20 |
291,00 |
3300,00 |
|
|
|
II |
1 |
|
0,02 |
0,04 |
0,07 |
0,10 |
0,13 |
|
|
|
Здесь использованы следующие обозначения: σ(км-1) – коэффициент ослабления среды, L(км) – длина трассы измерения,
Из приведенных данных следует что, по сравнению с системой I, требуемая мощность излучения источника излучения для системы II меньше в 1.7 ~ 2.9 раза, а на границе зоны однократного рассеяния, меньше на два, три порядка. Погрешность фактически не изменяется от отсчета к отсчету на части протяженностью не меньше половины полной выборки, что дает существенные преимущества в корректности последующей интерпретации полученного массива данных.
Рис.2. Зависимость нормированной погрешности измерений от протяженности зоны измерений для стробов регистрации или импульсов зондирующего излучения соизмеримой с протяженностью зоны измерений (New System) по отношению к обычной, стандартной системе (Old System).
Анализ непосредственно динамического диапазона самого сигнала также показывает преимущество систем типа II. Результаты расчетов приведены ниже.
σ(км-1) |
L(км) |
1 |
30 |
ДД |
0.01 |
сигнал |
6462 |
15600 |
72 |
0.01 |
фон |
850 |
25000 |
900 |
σ(км-1) |
L(км) |
1 |
2 |
ДД |
0.1 |
сигнал |
57580 |
113730 |
59 |
0.1 |
фон |
850 |
25000 |
900 |
σ(км-1) |
L(км) |
1 |
17 |
ДД |
0.3 |
сигнал |
127465 |
217625 |
29 |
0.3 |
фон |
850 |
14150 |
283 |
σ(км-1) |
L(км) |
1 |
2 |
ДД |
1 |
сигнал |
147150 |
190310 |
6,5 |
1 |
фон |
850 |
4150 |
24,4 |
Динамический диапазон сигнала системы типа II не превосходит 102 по сравнению с 106 для систем типа I. В таблице приведены его значения для системы II как для сигнала, так и для фона. В нашем случае этот диапазон для фона может достигать 103, оставаясь на несколько порядков ниже, чем для сигнала системы I.
Для оценки предельных возможностей системы II был проведен расчет допустимого пространственного разрешения обеспечивающего требуемое отношение сигнал/шум при различном замутнении среды.
Оказалось, что для системы II энергии используемого ОКГ достаточно для проведения измерений с высокой точностью в более широком диапазоне фоновых засветок, чем в случае системы I.
Выводы
Проведенные расчеты и представленные результаты показывают, что использование многоканальных регистрирующих систем построенных на основе использования каналов с совмещенным временем открытия и временем закрытия растущим от канала к каналу с заданным шагом дискретизации, позволяет повысить точность измерений в несколько раз.
Аналогичные выводы можно сделать и для случая, когда каналы открываются последовательно, а закрываются одновременно, в момент прихода сигнала рассеяния с конца трассы зондирования выбранной длины.
Используемый подход позволяет сместить задачу повышения точности измерений из области связанной со средой в область связанной только с аппаратурными возможностями систем дистанционного измерения, т. е. в более подверженной контролю области.
Рецензии:
1.11.2022, 15:02 Ашрапов Улугбек Товфикович
Рецензия: Для подавления мешающих акустических помех можно использовать регистрация сигналов по амплитудному анализу, который позволяет легко подавить (срезать) ложные сигналы дискриминатором.Поскольку окружающий шум ограничен сверху частотами порядка 50–100 кГц [Баранов В.М., Губина Т.В. О калибровке акустическо-эмиссионной аппаратуры. / Дефектоскопия, 1988, №5, С. 91-93.], то устранением низкочастотных составляющих можно существенно ограничить прохождение на регистратор ложных сигналов, связанных с шумами.