WWW.KNIGA.SELUK.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА - Книги, пособия, учебники, издания, публикации

 

7044

УДК 621.391.82: 532.57

ПРИМЕНЕНИЕ КОМБИНИРОВАННОГО

МНОГОПОЛЮСНОГО РЕФЛЕКТОМЕТРА

ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАССТОЯНИЯ

ДО ПЛОСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ

А.А. Львов

Саратовский государственный технический университет им. Ю.А. Гагарина

Россия, 410054, Саратов, Политехническая ул., 77 E-mail: alvova@mail.ru П.А. Львов Саратовский государственный технический университет им. Ю.А. Гагарина Россия, 410054, Саратов, Политехническая ул., 77 E-mail: peter.lvov@gmail.com Ключевые слова: комбинированный многополюсный рефлектометр, СВЧ измеритель расстояния до объекта, калибровка многополюсника, уточнение частоты СВЧ генератора, калибровочные нагрузки.

Аннотация: В работе предложен новый бесконтактный способ измерения расстояния до плоской поверхности, основанный на применении комбинированного многополюсного рефлектометра (КМР). Описаны методики калибровки КМР, измерения расстояния до зондируемой поверхности с его помощью и уточнения частоты зондирующего сигнала, которые в совокупности позволяют создать относительно недорогой и высокоточный датчик положения, способный измерять координаты исследуемой поверхности с точностью до 0,01 мм и работать в условиях металлургического цеха. Проведенное моделирование работы датчика подтвердило сделанные теоретические выводы.

1. Введение Использовать многополюсный рефлектометр (МР) в качестве измерителя комплексного коэффициента отражения (ККО) нагрузок на СВЧ впервые предложили Г. Энген и К. Хоер более сорока лет назад [1]. Идея применения вместо дорогостоящего векторного вольтметра, содержащего сложные схемы понижения частоты измерения и автоматической регулировки усиления, многополюсник – простое пассивное линейное устройство, к двум выходам которого подсоединяются генератор СВЧ сигнала и измеряемая нагрузка, а к остальным четырем – измерители мощности (квадратичные детекторы), показалась очень привлекательной. Поэтому в последующие двадцать лет появилось множество публикаций, как в нашей стране, так и за рубежом [2-4], в которых исследователи предлагали собственные конструкции МР, новые способы обработки оцифрованных сигналов с выходов детекторов и оригинальные методы калибровки измерителей на основе многополюсников.

Однако все без исключения авторы столкнулись с двумя серьезными проблемами:

плохой устойчивостью решений получающихся квадратичных уравнений МР, что зачастую приводит к значительным ошибкам измерения, и сложностью точной калибровXII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ ВСПУ- Москва 16-19 июня 2014 г.

ки многополюсника, для которой необходимо иметь несколько прецизионных калибровочных нагрузок (не менее четырех!).

Для обеспечения устойчивости решений исследователи стали создавать достаточно сложные конструкции МР, которые содержат гибридные ответвители, фазовращатели, линии задержки и т.д., что привело к усложнению конструкций многополюсников и к их удорожанию [5]. К сожалению, проблему точной калибровки смогли решить исключительно за счет использования сверхвысокоточных эталонов отражения. Поэтому точные измерители ККО СВЧ нагрузок на основе МР удалось создать только в национальных институтах стандартов высокоразвитых стран [6], где эти эталоны имелись в наличии, но стоимость подобных измерителей была выше, чем у серийно выпускаемых анализаторов СВЧ цепей на основе векторного вольтметра [7]. Как следствие, до настоящего времени анализаторы цепей на основе МР не выпускаются серийно.

Тем не менее, некоторые авторы делали попытки применения анализатора на основе многополюсника в различных приложениях. В работе [8] предложено использовать МР для построения разнесенных изображений на СВЧ. Однако откалибровать многополюсник точно не удалось из-за недостаточной точности имеющихся в наличии калибровочных нагрузок и неудачного способа калибровки (не оптимально обрабатывались сигналы, снимаемые с измерительных плеч МР). Поэтому авторам пришлось калибровать многополюсник с помощью высокоточного измерителя ККО HP8510B фирмы Хьюлетт-Паккард стоимостью более 70 тыс. долларов США. В [9-11] коллектив японских исследователей описали результаты применения МР для измерения малых скоростей движущихся объектов с помощью доплеровского радара, измерения угла прихода радиолокационного сигнала и в качестве волнового коррелятора в радиолокационной системе с фазированной антенной решеткой. Однако эти попытки практического использования метода многополюсника нельзя считать удачными из-за низкой точности получающихся измерений. Основными источниками ошибок измерений, попрежнему, являются неудачно выбранная методика обработки цифровых сигналов с выходов датчиков МР и низкая точность калибровки многополюсника, которые подробно анализируются в [12,13].

В работе [14] предложена оригинальная конструкция многополюсника, состоящая из двух частей: собственно МР и многозондовой измерительной линии (МИЛ). Последняя представляет собой отрезок микроволнового тракта с регулярным поперечным сечением и зондами, расположенными вдоль ее центральной продольной оси. Связь зондов с полем предполагается слабой, чтобы они не нарушали картину распределения поля внутри тракта линии, а расстояния от зондов до исследуемой нагрузки считаются точно известными. При этом часть датчиков с квадратичными детекторами снимают сигналы с МИЛ, а другая часть – с МР. В [14] показано, что такой комбинированный многополюсный рефлектометр (КМР), может быть точно откалиброван по набору нагрузок с неточно известными ККО. Более того, у многополюсника подобного вида можно совместить процессы калибровки и измерения, что существенно расширяет сферу его возможных применений в условиях, например, производственного цеха.





В данной работе авторы используют КМР для бесконтактного измерения расстояния до плоской поверхности, анализируют получающуюся точность измерения, с помощью математического моделирования показывают преимущества предлагаемого решения по сравнению с известным [15]. В начале дана общая постановка задачи и исследуется известный метод измерения расстояния с использованием двенадцатиполюсного рефлектометра. Далее предлагается новый метод измерения расстояния до поверхности с помощью КМР, анализируются достоинства предлагаемого способа. В конце приведены результаты математического моделирования процессов калибровки и измерения расстояния до плоской поверхности с помощью КМР.

XII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ

ВСПУ- Москва 16-19 июня 2014 г.

2. Анализ измерителя расстояния до плоской поверхности, основанного на двенадцатиполюсном рефлектометре 2.1. Постановка задачи В последние годы технологии изготовления листового металла претерпевают существенные изменения. Традиционный и широко известный прокатный стан горячей прокатки в перспективе может быть заменен системой пленочного литья. Среди достоинств этого способа производства – возможность изготавливать листовой металл прямо из расплава, не прибегая к промежуточным процедурам охлаждения или получения заготовок, что позволяет экономить значительное количество энергии. Кроме того, такая технология может обеспечить бльшую точность и стабильность толщины получаемого листа по сравнению с прокатным станом. В связи с этим у компаний, занимающихся внедрением этой технологии, возникла необходимость в разработке прецизионного датчика положения и линейных перемещений [15]. К этому датчику предъявляются следующие требования:

субмиллиметровое разрешение на расстоянии порядка полуметра, надежность и повторяемость измерений;

нечувствительность к изменениям температуры и влажности, к пыли и паразитным неинформативным сигналам;

малый исследуемый участок измеряемой поверхности для высокого разрешения ее элементов;

дистанционное управление и электромагнитная совместимость.

Оказалось, что данным требованиям удовлетворяет датчик, работающий в СВЧ диапазоне. Для создания подобного устройства авторами [15] предложено использовать двенадцатиполюсник. К одному из его портов подключается рупорная антенна, которая «зондирует» исследуемую поверхность. Частота, используемая в предлагаемой установке, находится вблизи значения 35 ГГц, что не позволяет с достаточной эффективностью применить стандартные коммерческие реализации устройств на основе СВЧ интерферометрии или частотно-модулированного непрерывного излучения поодиночке. Поэтому используются обе этих технологии.

2.2. Анализ двенадцатиполюсного измерителя расстояний Схема датчика приведена на рис. 1. Она состоит из нескольких блоков: генератора, счетчика частоты, двенадцатиполючного рефлектометра (ДПР), калибровочной цепи и блока цифровой обработки, который осуществляет обработку измерительной информации и управляет генератором.

Чтобы избавиться от жестких ограничений по линейности, которые необходимы для получения достаточной точности при использовании радара на основе частотномодулированного непрерывного сигнала, авторы предлагают измерять на произвольных частотах. Для этого необходимо измерять частоту с нужной скоростью и точностью. Эту задачу решает блок счета частоты, в котором она делится на 4, уменьшаясь с 35 до 8,75 ГГц, а далее для ее определения используется схема на основе ряда делителей и 20-битного регистра (рис. 1).

Двенадцатиполюсник, собранный из коаксиальных компонент, имеет достаточно распространенное для этого типа устройство: направленный ответвитель, три квадратурных гибрида и делитель мощности. Калибровочная цепь соответствует методу калибровки многополюсника по подвижному короткозамыкателю [6].

Авторами [15] отмечено, что точность измерения фазы напрямую зависит от точности измерения мощности с четырех измерительных портов ДПР. Детекторные диоXII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ ды, которые использовались в этом эксперименте, обнаруживают слишком высокий температурный коэффициент чувствительности по напряжению, который дополнительно зависит от величины нагрузки. Для решения этой проблемы найдено оптимальное значение нагрузки при окружающей температуре порядка 22С. Оказалось, что каждый детектор должен быть оснащен «низкошумящим» усилителем, которые помещаются в шумоизолированный металлический корпус, с подведенным к нему кабелем с двойной изоляцией, что должно еще больше повысить помехоустойчивость.

Более того, модули АЦП и ЦАП изолируются в электромагнитном смысле от устройства обработки сигналов с помощью оптоволоконной связи.

Рис. 1. Структурная схема измерителя расстояния,: ГУН – генератор, управляемый напряжением, БУ – блок управления, ДПР – двенадцатиполюсный рефлектометр, П – переключатель, НО – направленный ответвитель, ДМ – делитель мощности, ИП – исследуемая поверхность, d – расстояние до ИП, ГФЗ – гибридный ответвитель фазовой задержки, ПК – персональный компьютер, ПКЗ – подвижный короткозамыкатель, РФС – регистр фиксации состояния., АЦП и ЦАП – аналого-цифровой и цифро-аналоговый преобразователи.

После калибровки ДПР производится измерение ККО зондируемой поверхности.

Оценивание влияния остаточной ошибки измерения мощности проводилось методом Монте-Карло, моделируя сигналы на выходе многополюсника c добавлением случайных ошибок измерения мощности. Полученные данные свидетельствуют, что ошибка измерения мощности в 1% приводит к ошибке в определении фазы 5, что говорит о неудачно выбранном методе обработки оцифрованных сигналов с детекторов ДПР.

Предложенный метод в принципе решает поставленную задачу, однако чтобы это решение было устойчивым, приходится настраивать систему на предельно достижимую точность. Оказалось, что точность измерения фазы этим методом составляет ±10, и это, в свою очередь, ведет к ошибке определения расстояния ±0,12 мм.

Особенность этого решения заключается в том, что авторы [15] не используют какие-либо оптимальные статистические методы обработки сигналов с выходов детекторов, содержащих ошибки. Вместо этого главные усилия направлены на улучшение аппаратуры самой установки: точное проектирование компонентов, помехоизолирующие корпуса, оптоволоконная связь между блоками, малошумные усилители, экранированные АЦП и ЦАП. При этом введение новых компонентов для повышения отношения сигнал-шум или избавления от влияния какого-либо фактора окружающей среды неизбежно приводит к появлению новых искажающих картину явлений. Так подсоединение высокоомного резистора к выходу каждого детектора приводит к появлению тепловых шумов. Предложенное решение состоит в определении величины

XII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ

сопротивления резистора при данной температуре, которая обеспечивает стабильную чувствительность детектора по напряжению. Однако не следует забывать, что на металлургическом производстве температура внутри помещения может очень сильно колебаться из-за наличия большого количества источников тепла, Поэтому обеспечить температурную стабильность установки будет еще одной сложнейшей, задачей.

Теперь рассмотрим калибровку многополюсника. Как отмечалось выше, она производится с помощью калибровочного эталона, которым является подвижный высокоточный короткозамыкатель. В частности, авторы [15] пользуются методом калибровки, описанным в [6], где имелся в наличии короткозмыкатель с модулем ККО примерно равным 0,997–0,998. Поэтому при практическом применении измерителя в металлургической промышленности необходимо приобретать подобный калибровочный эталон, что практически невозможно. Кроме того, использование такого точного калибровочного эталона может быть непригодно в реальных условиях из-за большой температуры вблизи поверхности расплава (измерение производится с расстояний порядка 0,5 – 1 метра), которая будет влиять на его коэффициент отражения.

Таким образом, разработанная в [15] система получается зависимой от многих факторов и потребует для реализации большого количества специальной аппаратуры и весьма тонкой ее настройки. Сомнительно, что пользователи, которые будут работать с этой системой лишь в прикладных целях, окажутся в состоянии добиться желаемых результатов. Это становится возможным только при наличии аналогичной СВЧ-аппаратуры и опытного персонала, который квалифицированно ее настроит.

3. Датчик определения расстояния до плоской поверхности на основе комбинированного многополюсника На основе анализа известного метода измерения относительных координат плоской поверхности предлагается новый метод измерения положения, более экономный с точки зрения используемой аппаратуры и обладающей более точный.

Структурная схема предлагаемого измерителя показана на рис. 2. Он обладает существенно более простой в исполнении по сравнению с измерителем, описанным в [15]. Вместо дорогостоящих блока измерения частоты, ДПР, реализованного на гибридных ответвителях и согласованной нагрузке, и дорогостоящей калибровочной цепи, содержащей подвижный короткозамыкатель с коэффициентом отражения не меньше 0,99, в измерителе предлагается использовать один КМР с общим числом измерительных каналов не менее 9. Это существенно упрощает аппаратурный состав системы. В связи с тем, что КМР с числом плеч не менее 8 допускает калибровку по набору неизвестных нагрузок, если использовать методику, описанную в [14], это делает ненужной калибровочную цепь и избавляет измеритель от систематических ошибок, связанных с традиционным методом калибровки [6].

Разработанная система, по сути, является бесконтактным измерителем координат и линейных перемещений, может использоваться при решении довольно широкого спектра технических задач, одной из которых является определение высоты уровня жидкой стали в резервуаре, где разработанная измерительная система выступает в качестве датчика расстояния до исследуемой поверхности.

Если с выходов измерительных портов многополюсника в дискретные моменты времени измерять сигналы, то система уравнений, описывающая их, имеет вид [12-16]:

XII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ

Рис. 2. Структурная схема нового измерителя расстояния до поверхности – а, где все обозначения совпадают с рис. 1; упрощенная схема КМР с набором из K калибровочных нагрузок с неизвестными ККО – б. Число датчиков у МР и МИЛ должно быть N 4.

(1) где j – номер датчика ( j 1, N ), i – номер измерения ( i 1, M ); A j, B j – комплексные коэффициенты передачи j-го датчика для опорной и сигнальной волн соответственно;

ai, bi – комплексные амплитуды прямой и обратной волн в i-ый момент времени; ji – аддитивный шум.

Предполагается, что сигнал шума ji обусловлен, в первую очередь, тепловыми шумами квадратичных детекторов и усилителей платы сбора данных, поэтому его принято считать распределенным по нормальному закону с нулевым математическим ожиданием и некоторой неизвестной дисперсией.

Если решить систему уравнений (1) относительно фаз ККО исследуемой поверхности:

(2) где – известная длина волны генератора; d i – расстояние между поверхностью и рупором антенны в i-ом измерении, то, найдя оценки всех ai, bi, можно из (2) определить закон изменения координаты исследуемой поверхности во времени. При этом основная трудность заключается в том, что параметры МР A j, B j также неизвестны. Они должны быть определены при предварительной калибровке измерителя.

Именно поэтому предлагается использовать не обычный многополюсник, а КМР, который схематично показан на рис. 2, б. Часть его датчиков имеет слабую связь с полем внутри микроволнового тракта. Если расстояния l j от данных датчиков до плоскости подсоединения нагрузки АА, в качестве которой выступает рупорная антенна с подводящим коаксиальным кабелем и переходником, известны точно, то ее можно рассматривать как многозондовую измерительную линию. Модель МИЛ формально совпадает с моделью МР, но для констант A j, B j выполняется следующее соотношение:

где j – коэффициент передачи детектора соответствующего зонда МИЛ, i – единичный орт в направлении мнимой оси на комплексной плоскости. Поэтому математическая модель МИЛ с учетом последних соотношений может быть переписана в виде:

(3)

XII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ

где индекс k соответствует подсоединенной к МИЛ калибровочной нагрузке с модулем ККО, равным k bk ak.

3.2. Калибровка комбинированного многополюсника В качестве калибровочных нагрузок можно использовать любые нагрузки, ККО которых неизвестен даже приблизительно. Например, перед началом измерений можно поочередно устанавливать рупор антенны на K 4 произвольных расстояниях d k до исследуемой поверхности и снимать сигналы с выходов датчиков МИЛ и МР.

Процедура калибровки КМР проводится в два этапа [14]. На первом производится оценка по методу максимального правдоподобия неизвестных параметров калибровочных нагрузок, входящих в (3), и неизвестных коэффициентов передачи детекторов датчиков МИЛ j по методике, описанной работе [16], учитывая оцифрованные значения сигналов только с датчиков линии. Учитывается, что расстояния от зондов линии до плоскости подсоединения нагрузки и длина волны сигнала в тракте считаются точно известными.

На втором этапе, когда найдены оценки всех параметров j и k, k, ak, то далее пользуются процедурой адаптивного байесова подхода [14]. Оценки параметров, относящиеся к подсоединенным нагрузкам, подставляются в (1), и система решается по методу максимального правдоподобия относительно коэффициентов передачи МР A j, B j, учитывая только сигналы с его датчиков. В результате находятся оценки всех коэффициентов передачи датчиков как многополюсника, так и МИЛ, и КМР считается откалиброванным.

Здесь следует заметить, что подобная процедура калибровки должна проводиться только один раз перед началом измерения высоты расплавленного металла в резервуаре, а далее система сама будет уточнять калибруемые параметры КМР при последующих измерениях, пользуясь этой же методикой. Можно сказать, что процессы калибровки комбинированного многополюсника и измерения с его помощью происходят параллельно, не используя никаких специальных калибровочных средств, что позволяет существенно упростить настройку всей измерительной системы в целом.

В описанном процессе калибровки в качестве образцовой величины выступает только длина волны СВЧ генератора, которая должна быть точно известной. К сожалению, точность знания частоты не всегда бывает достаточной, чтобы обеспечить проведение измерений с нужной субмиллиметровой точностью, особенно на частоте порядка 35 ГГц. Поэтому в [15] используется специальный частотомер для постоянного отслеживания возможного изменения частоты генератора в процессе измерения.

3.3. Уточнение длины волны зондирующего сигнала Будем считать, что длина волны в модели МИЛ (3) известна с небольшой погрешностью, то есть 0, где величина 0 = 35 ГГц известна точно, а – неизвестная поправка, причем 0. Тем не менее, если число датчиков МИЛ будет не менее пяти (поэтому общее число датчиков КМР не должно быть менее 9), то возможно предложить итерационную процедуру уточнения длины волны внутри ее тракта.

Запишем модель (3) с учетом введенной поправки для одной произвольной нагрузки:

Разложим выражение 1 0 1 у аргумента косинуса в ряд Тейлора до линейных членов включительно, тогда:

XII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ

Так как по абсолютной величине поправка существенно меньше основной длины волны 0, с хорошей точностью можно считать справедливыми соотношения:

Тогда раскрывая скобки в (4) и учитывая последние соотношения, несложно получить следующую систему нелинейных уравнений относительно неизвестных параметров нагрузки,, a и поправки длины волны (5) Сделаем в (5) следующую замену переменных:

(6) Тогда система (5) становится линейной относительно новых неизвестных с наложенным на них квадратичным ограничением, Для удобства она дана в матричном виде:

(7) где: u u1,, u N T – вектор измеренных сигналов с датчиков МИЛ; q q1,, q5 T – вектор неизвестных, подлежащих оцениванию; X xij – матрица плана эксперимента;

1,, N T – вектор погрешностей измерения сигналов на датчиках МИЛ; «T» – обозначает операцию транспонирования матрицы.

В работе [14] описан итерационный метод решения линейных систем типа (7) с учетом квадратичного ограничения на оцениваемые параметры по методу максимального правдоподобия. В результате получается следующая итерационная формула для для k 1 -го шага:

где G – матрица квадратичной формы из (7), а нулевое приближение ищется по методу наименьших квадратов:

В [14] показано, что описанный итерационный процесс быстро сходится к правильному решению, как правило, не требуется более 2-3 итераций. После нахождения оценок компонентов вектора q несложно из (6) найти оценку поправки к длине волны:

Таким способом можно в процессе измерения отслеживать возможные изменения длины волны зондирующего сигнала, что позволяет не использовать специального частотомера в измерительной системе и еще больше упростить ее конструкцию без потери в точности измерений расстояния до исследуемой поверхности.

XII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ

3.4. Достоинства измерителя расстояний на основе КМР Алгоритм решения системы (1), описанный в [14], был реализован. При числе датчиков КМР N = 9 и числе измерений K = 65535 проводит обработку цифровой информации в реальном времени и совмещает процедуры калибровки и измерения. На основе этого можно утверждать, что процедура самокалибровки измерителя может производиться при каждом измерении неизвестных координат поверхности. Поэтому требования стабильности мощности источника излучения, знания фазовых соотношений между датчиками отсутствуют. Как следствие, исключается влияние внешних факторов на точность измерения – изменений давления, температуры, влажности и т.д.

При решении системы (1) не накладывается ограничений на параметры ak и bk, поэтому коэффициент отражения тестируемой поверхности может изменяться произвольным образом во времени. Это свойство описываемого метода позволяет достичь известных преимуществ перед доплеровскими виброизмерительными методами. При этом результатами измерения являются изменения во времени координаты поверхности, а не изменения ее скорости, что следует из (2). Поэтому данный измеритель обладает большей чувствительностью на малых частотах колебания поверхности ( 5 Гц), по сравнению с доплеровскими аналогами.

Точность метода определяется отношением сигнал/шум на выходе МР. Использование в составе рефлектометра простых отечественных СВЧ компонент позволяет достичь отношения порядка 30 дБ, что обеспечивает точность измерения фазы порядка 0,5 – 1 и соответствует погрешности измерения расстояния менее 0,01 мм для линейных перемещений.

В разработанной системе измерения координат поверхности осуществлено совмещение процессов измерения и калибровки, причем последняя не требует наличия эталонных средств. Эталоном служит длина волны используемого источника излучения.

Поэтому достаточно постоянно отслеживать изменение частоты генератора, так как в выражении (2) используется длина волны зондирующего сигнала. Это можно осуществить, используя алгоритм оценивания, описанный выше.

Указанные выше достоинства предлагаемого измерителя координат и линейных перемещений были проверены с помощью компьютерного моделирования его работы.

Истинная картина тестируемой поверхности моделировалась заданием основной координаты и представлялась в виде аддитивной смеси этой координаты и нескольких линейно изменяющихся слабых гармонических сигналов.

Результаты моделирования представляются в виде массива чисел с плавающей точкой, являющихся расстояниями от рупора антенны до исследуемой поверхности (отклонениями поверхности). Дальнейшее моделирование заключается в преобразовании расстояний в фазы рассеянного сигнала и построении на их основе и с использованием заданных коэффициентов передачи датчиков массива напряжений, снимаемых с аналоговых усилителей, и являющегося входным для статистической обработки. Далее к полученным значениям напряжений добавлялись аддитивные случайные погрешности.

Уровень сигнал/шум задавался равным 30 дБ, что соответствует реальным его значениям в СВЧ аппаратуре.

Типичные модельные результаты измерения показаны на рис. 3-5. На рис. 3 показаны грубые измерения координаты с использованием метода, описанного в [15], когда результаты получаются с помощью ДПР без дополнительного контроля частоты генерации зондирующего сигнала с помощью прецизионного цифрового частотомера.

XII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ

Рис. 3. Фаза и ошибка фазы коэффициента отражения как функция расстояния до исследуемой поверхности с использованием вогнутого отражателя. 1 соответствует 0,012 мм. Сплошная линия: измеренная фаза, штрихованная – погрешность измерения фазы.

Из рисунка видно, что предлагаемый в [15] метод позволяет проводить однозначные измерения расстояния с точностью до четверти длины волны. Окончательная точность порядка 0,1 мм достигается за счет измерения фазы на фиксированной частоте.

Двенадцатиполюсник, позволяет измерять расстояния с указанной точностью. Измерения, проведенные в оптимальных условиях, подтверждают это. На рис. 3 показана измеренная фаза коэффициента отражения от цели, движущейся с расстояния 748 мм до 753 мм от опорной плоскости рупорной антенны. Погрешность измерений в данном случае меньше 10, что соответствует ошибке измерения расстояния порядка 0, мм. Здесь следует заметить, что в этом случае коррекции ошибок или моделирования передачи сигнала в свободном пространстве не проводилось. На практике сигнал, полученный в результате приема отраженной волны, распространяющейся в свободном пространстве, включает в себя и паразитные переотражения, которые ухудшают фазовые характеристики. Как считают авторы [15], измерения с субмиллиметровой точностью возможны на практике только в том случае, если исследуемая поверхность является гладкой и не движется в направлении распространения зондирующей волны. Типичный результат измерения, когда частота излучения контролировалась прецизионным цифровым частотомером, показан на рис. 4.

Рис. 4. Фаза и ошибка фазы коэффициента отражения для плоского отражателя.

Сплошная линия: измеренная фаза, пунктирная линия – фаза, рассчитанная с учетом коррекции частоты генератора, изменяющейся во времени в пределах ± 1% от основной гармоники, штрихованная линия – ошибка оценки фазы.

XII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ

Видно, что дополнительный учет возможного изменения частоты генерации, характерный для большинства генераторов, проведенный с помощью прецизионного частотомера, позволяет повысить точность измерения координаты. Однако метод, предлагаемый в [15], не может обеспечить достаточную точность измерений, необходимую для нужд сталелитейной промышленности, из-за больших систематических погрешностей калибровки МР и неудачного алгоритма обработки измерительной информации с его датчиков.

На рис. 5 показаны аналогичные результаты, измеренные при помощи КМР с числом измерительных портов, равным 10, половина из которых имеет слабую связь с полем внутри измерителя. По данным, измеренным на этих портах, проводилось дополнительное уточнение длины волны источника сигнала.

Рис. 5. Фаза и ошибка фазы коэффициента отражения как функция расстояния до исследуемой поверхности с использованием вогнутого отражателя. 1 соответствует 0,012 мм. Сплошная линия: измеренная фаза, штрихованная – погрешность измерения фазы.

Видно, что использование оптимальных статистических методов обработки сигналов с датчиков МР позволило ориентировочно на порядок повысить точность измерения без применения дорогостоящего оборудования, которым являются прецизионный частотомер и набор калибровочных нагрузок для ДПР. Для дальнейшего повышения точности измерений можно будет совместить предложенный метод решения системы уравнений для МР с использованием преимуществ, которые предоставляет комбинированная схема многополюсника.

Сравнивая полученные значения погрешностей измерения фазы известным устройством и предлагаемым в работе, можно сделать вывод о перспективности нового, предложенного нами, метода оценивания положения. Следует так же отметить, что использование метода решения уравнений многополюсника из [14] не зависит от паразитных переотражений, которые существенно влияют на точность измерения по методике, предложенной в [15].

Проанализирован метод бесконтактного измерения координаты исследуемой поверхности, основанный на совместном использовании двух известных методов, достоинства и недостатки которых обсуждаются в работе. Прямой метод измерения частоты

XII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ

зондирующего сигнала позволяет выполнить грубую оценку расстояния до поверхности, однако требуется для получения оценки частоты сигнала используемого генератора. После измерения частоты координата поверхности определяется из соотношения (2), где фаза коэффициента отражения оценивается с помощью метода ДПР. Эти методы в совокупности обеспечивают достаточно точные оценки координаты исследуемой поверхности, однако требуют большого количества высокоточной измерительной аппаратуры.

Предложен статистический способ решения уравнений МР, используемого в качестве прецизионного измерителя расстояния до поверхности расплавленной стали с субмиллиметровой точностью. Предлагаемый метод решения позволяет использовать предельно простые конструкции многополюсников и не требует высокоточных стандартов для калибровки рефлектометра. При этом измерительная система получается простой в изготовлении и соответственно дешевой.

Разработана программа, реализующая этот алгоритм, и на ее основе проведено численное моделирование работы калибровочной системы. Оно показало высокую эффективность предлагаемой методики измерения.

1. Engen G.F., Hoer C.A. Application of an Arbitrary Six-Port Junction to Power Measurement Problems // IEEE Trans. on Instrum. and Meas. 1972. Vol. 21. P. 470-474.

2. Engen G.F. The Six-Port Reflectometer: An Alternative Network Analyzer // IEEE Trans. on Microwave Theory Tech. 1977. Vol. 25. P. 1075-1079.

3. Hanson E.R.B., Riblet G.P. An Ideal Six-Port Network Consisting of a Matched Reciprocal Lossless FivePort and a Perfect Directional Coupler // IEEE Trans. of Microwave Theory and Tech. 1983. Vol. 31. P.

4. Кабанов Д.А., Никулин С.М., Петров В.В., Салов А.Н. Опыт разработки автоматических анализаторов СВЧ цепей с 12-полюсными рефлектометрами // Измерительная техника. 1985. № 10. С. 38-40.

5. Рейзенкинд Я.А., Следков В.А. Состояние и перспективы развития методов измерения параметров двухполюсников и четырехполюсников на СВЧ // Зарубежная радиоэлектроника. 1988. № 8. С. 30-60.

6. Li S., Воsisiо R.G. Calibration of Multiport Reflectometers by Means of Four Open Short Circuits // IEEE Trans. Microwave Theory Tech. 1982. Vol. 30. P. 1085-1090.

7. Griffin E.J. Six-Port Reflectometers and Network Analysers // In: IEE Vacation School Lecture Notes on Microwave Measurement London Inst. Elec. Eng.. 1983. P 11/1-11/22.

8. Lu H.-C., Chu T.-H. Microwave Diversity Imaging Using Six-Port Reflectometer // IEEE Trans. Microwave Theor. Tech. 1999. Vol. 47, No. 1. P. 152-156.

9. Xiao F., Ghannouchi F.M., Yakabe T. Application of a Six-Port Wave-Correlator for a Very Low Velocity Measurement Using the Doppler Effect // IEEE Trans. Instr. Meas. 2003. Vol. 52, No. 2. P. 546-554.

10. Ghannouchi F. M., Tanaka M., Wakana H. A six-port wave-correlator for active/smart phase array antenna system // Proc. JINA '98, 10th Int. Symp. Antennas. Nice, France, 1998, P. 314-317.

11. T. Yakabe et al. Six-Port Based Wave-Correlator with Application to Beam Direction Finding // IEEE Trans. Instrum. Meas. 2001. Vol. 50. No. 2. P. 377-380.

12. Львов П.А., Большаков А.А. Использование комбинированного многополюсного рефлектометра в доплеровском радаре и системе разнесенного СВЧ-изображения // Системы управления и информационные технологии. 2009. № 3 (37). С. 72-76.

13. Львов П.А. Применение многополюсных рефлектометров специального вида для решения ряда прикладных задач // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2010. № 2 (45).

Вып. 1. С. 181-193.

14. Львов А.А. Автоматический измеритель параметров СВЧ двухполюсников на основе многополюсника // Измерительная техника. 1996. № 2. С. 10-12.

15. Stelzer A., Diskus C.G., Lbke K., Thim H.W. A Microwave Position Sensor with Submillimeter Accuracy // IEEE Trans. Microwave Theor. & Tech. 1999. Vol. 47. P. 2621-2624.

16. Львов А.А., Семёнов К.В. Метод калибровки автоматической многозондовой измерительной линии // Измерительная техника. 1999. № 4. С. 34-39.

XII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ




Похожие работы:

«ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ РЕГИОНА СОСТОЯНИЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ В КРАСНОЯРСКОМ КРАЕ М.Т. Джуракулова, гр. 11-1 г. Лесосибирск, ФГБОУ ВПО Сибирский государственный технологический университет Лесосибирский филиал На первый взгляд, неблагоприятные с экологической точки зрения площади занимают не более 10% общей территории края. Однако необходимо учесть, что именно в этой части проживает основная часть трехмиллионного населения края и сосредоточены промышленные объекты и сельскохозяйственные зоны....»

«Содержание Общая информация о Горно-металлургическом институте 1 4 Общая информация о специальности 5В070900 – Металлургия 2 6 Виды занятий 3 7 Профессиональная практика 4 8 Письменные работы 5 8 Требования к выпускной квалификационной работе 6 9 Направления кафедры МЦМ 7 9 Направления кафедры МПТиТСМ 8 Учебный план специальности 5В070900 – Металлургия 9 Учебно-методические комплексы дисциплин (УМКД) специальности 10 5В070900 - Металлургия Общая информация о Горно-металлургическом институте 20...»

«Содержание Общая информация о горном институте им. О.А. Байконурова 1 4 Общая информация о специальности 050724 - Технологические 2 5 машины и оборудование (по отраслям) Виды занятий 3 6 Профессиональная практика 4 7 Письменные работы 5 7 Требования к выпускной квалификационной работе 6 8 Специализация - Горные машины и оборудование 7 Специализация - Металлургические машины и оборудование 8 Специализация – Технологические машины и оборудование 9 нефтяной и газовой промышленности УМКД...»







 
© 2014 www.kniga.seluk.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Книги, пособия, учебники, издания, публикации»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.