CC BY
65
ИНФОРМАТИКА, ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА И УПРАВЛЕНИЕ
УДК 681.586.48 ББК 32.873
И.Ю. БЫЧКОВА, А.В. БЫЧКОВ, Л.А. СЛАВУТСКИЙ
АЛГОРИТМ КОРРЕЛЯЦИОННОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ ПРИ ДВУХЛУЧЕВОМ РАСПРОСТРАНЕНИИ УЛЬТРАЗВУКА
Ключевые слова: ультразвук, импульсные измерения, фазово-модулированные сигналы, корреляционная обработка.
Предлагается алгоритм корреляционной обработки импульсных ультразвуковых сигналов. Используется цифровая фазовая модуляция сигналов для увеличения разрешающей способности ультразвуковых приборов. Алгоритм позволяет с высоким разрешением измерить малые задержки между импульсами, пришедшими в приемник по разным траекториям распространения в неоднородной среде. Лабораторные экспериментальные измерения проводились при рассеянии ультразвука в неоднородном потоке воздуха. Показана возможность измерить временные задержки, которые значительно меньше периода несущей волны.
Диапазон и пространственное разрешение ультразвуковых (УЗ) пролетных и эхо-импульсных приборов [5] определяются несущей частотой и длительностью зондирующих импульсов. Временная задержка УЗ импульса, точность определения которой является ключевой характеристикой прибора, традиционно измеряется по переднему фронту, длительность которого зависит от многих факторов. В качестве передатчиков ультразвука в большинстве приборов используются резонансные преобразователи, которые не позволяют реализовать короткий широкополосный импульс с устойчивым передним фронтом, что приводит к значительным погрешностям при измерении задержки сигналов [8]. Форма УЗ импульса зависит не только от характеристик приемопередающих преобразователей, но и от условий распространения и отражения акустических волн в среде [6, 7]. Результирующий сигнал на входе приемника есть сумма сигналов, дошедших до приемника различными путями и с различной задержкой. Реальная погрешность измерений оказывается значительно больше, чем полупериод УЗ волны, традиционно указываемый производителями УЗ приборов. Это прежде всего относится к УЗ измерениям в неоднородных газовых средах, где при низком акустическом импедансе среды и значительном затухании ультразвука несущие частоты не превышают нескольких десятков килогерц, а пространственная длительность импульсов чаще всего составляет не менее десятков сантиметров.
Импульсные УЗ измерения временной задержки при многолучевом распространении позволяют оценить пространственную неоднородность среды [3, 6], однако при таких измерениях неизбежно происходят наложение и интерференция сигналов, пришедших от передающего преобразователя по разным траекториям, с разной задержкой. В настоящей работе предлагается алгоритм и оценивается возможность временного разрешения двух взаимно наложенных во времени УЗ сигналов (второй импульс поступает на преобразователь до окончания первого). Для этого предлагаются цифровое формирование сигналов с фазовой
модуляцией (ФМ) по коду Баркера [9], их последующая корреляционная обработка [3] и интегральная оценка формы корреляционной функции для повышения разрешающей способности прибора при измерении задержки УЗ импульсов. Использование модулированных сигналов в теории локации позволяет осуществлять их эффективный корреляционный прием [4], поскольку малая ширина автокорреляционной функции такого сигнала дает возможность увеличить точность определения временной задержки импульса.
Алгоритм обработки сигналов. Алгоритм цифрового формирования и обработки сигналов состоит из следующих этапов:
1. Формирование сигнала с ФМ по коду Баркера.
2. Запись сформированного сигнала SЭ(t) в качестве эталонного с учетом его искажения в приемно-передающем тракте при прямом распространении между передатчиком и приемником ультразвука.
3. Расчет взаимной корреляционной функции Л(0 сигналов в приемнике S^(t) с эталонным сигналом SЭ(t).
4. Расчет временной зависимости мощности м>(1) = Я2(1) и ее огибающей W(t).
5. Определение временного положения «центра тяжести» огибающей мощности корреляционной функции
Гг _
_ 11^'(О = 1^(0 ■
Работа алгоритма на примере модельных расчетов продемонстрирована на рис. 1. Здесь показана форма взаимной корреляционной функции эталонного сигнала и сдвоенного сигнала на входе приемника при трех значениях задержки & между сигналами в приемнике в пределах длины УЗ импульса порядка 1 мс.
5 г
0
"ЧИП
с2
а;
0 12 3 4
Т. мс
Рис. 1. Изменение формы взаимной корреляционной функции эталонного сигнала и сдвоенного сигнала в приемнике при изменении относительной задержки импульсов при двухлучевом распространении
Как видно из рис. 1, при А? = 0 (верхняя осциллограмма) корреляционная функция симметрична и теряет симметрию при увеличении задержки. Начиная с некоторого значения А? (нижняя осциллограмма рис. 1), в корреляционной функции проявляется два пика с амплитудой, соответствующей амплитуде сигналов, пришедших в приемник по разным траекториям. Разница во временном положении пиков соответствует искомой задержке между импульсами. Однако если задержка мала, ее можно оценить только при анализе несимметрии корреляционной функции (средняя осциллограмма). Поэтому изменение А? может быть определено по средневзвешенному положению «центра тяжести» огибающей корреляционной функции (?с1, ?с2, ?сз), показанному вертикальным пунктиром. Такой подход не накладывает ограничений на величину измеряемой задержки А?.
На рис. 2 показаны две зависимости ?с от А?, полученные в результате моделирования: для УЗ импульса с модуляцией по коду Баркера 5-го порядка (В5) и с модуляцией по коду Баркера 11-го порядка (В11). Зависимости носят линейный характер с наложением значительных квазирегулярных осцилля-ций. Такие осцилляции определяются интерференцией наложенных друг на друга сигналов с периодом, соответствующим несущей частоте ультразвука. Интерференция приводит к периодическому изменению амплитуды второго импульса с увеличением А? и, соответственно, колебаниям с При более высоком порядке кодировки ФМ по коду Баркера осцилляции ?с уменьшаются. Могут быть разработаны специальные алгоритмы линейной аппроксимации осциллирующих зависимостей ?с(А?), однако при реальных экспериментальных измерениях в газообразных средах осцилляции зависимостей рис. 2 сглаживаются при усреднении за счет фазовых флуктуаций сигналов.
0.3
0.2
0.1
О
о
-0.1 -0.2 -0.3 -0.4 -0.5
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
Аг, мс
Рис. 2. Зависимость средневзвешенного временного положения центра мощности корреляционной функции от временной задержки между импульсами
Приведем пример использования предлагаемого алгоритма в лабораторных экспериментальных измерениях.
Обработка экспериментальных данных. В настоящей работе показана возможность использования двухлучевых импульсных УЗ измерений при контроле неоднородного воздушного потока. Схема лабораторной установки приведена на рис. 3.
Рис. 3. Схема лабораторной установки и траектории распространения лучей по направлению и против направления потока
Приемо-передающее устройство ППУ схематически отражает в себе все функциональные блоки импульсного ультразвукового прибора [3]. Ультразвуковые преобразователи (УЗП) имеют резонансную частоту 40 кГц. Длительность одного импульса составляет 1 мс. Пакеты в зависимости от настроек блока ППУ могут быть простыми и фазомодулированными. Фазовая модуляция производится согласно коду Баркера. Преобразователи имеют широкую диаграмму направленности (порядка 60°). Согласно диаграммам направленности преобразователей мощность излучения боковых лучей отличается от мощности прямого луча примерно на 5 дБ. Поэтому для увеличения чувствительности системы к отраженному от потока сигналу оба преобразователя были повернуты примерно на 45° (рис. 3). В общем случае сигнал на входе приемника представляет собой суперпозицию двух сигналов: прямого и отраженного. В установке использован промышленный вентилятор Бозре1 WK200 (В) с диаметром отверстия 0,15 м, который представляет собой канальный центробежный вентилятор с мощностью 170 Вт, производительностью 1200 м3/ч и номинальной частотой вращения 2430 об./мин. Кроме того, для калибровки частоты вращения вентилятора используется цифровой фототахометр БТ2234Б (ФТ), который позволяет бесконтактно измерить частоту вращения вентилятора с разрешением 0,1 об./мин (менее 1000 оборотов), 1,0 об./мин (более 1000 оборотов) и погрешностью ±0,05%. Частота может меняться симисторным регулятором (Р).
Для обеспечения разных условий распространения отраженного луча передатчик и приемник меняли местами. В силу достаточно больших углов рассеяния ультразвука можно считать, что разница в задержке сигналов при распространении по и против потока определяется сдвигом фазы УЗ импульса при отражении акустических волн [1, 2]. Такой сдвиг фаз зависит от профиля скорости V потока, его турбулентности, температуры Т и т.д. Поскольку па-
раметры потока при прямом и обратном распространении не меняются, скорость потока оказывается ключевым фактором, влияющим на разницу в задержке сигнала.
На рис. 4 показаны расчетные и экспериментальные осциллограммы (сверху вниз):
- эталонный сигнал с ФМ по коду Баркера 5-го порядка;
- сдвоенный сигнал в приемнике;
- корреляционная функция;
- мощность корреляционной функции;
- огибающая корреляционной функции.
а;
2 4 0 2 4 6
мс Г, мс
Рис. 4. Расчетные (слева) и экспериментальные (справа) осциллограммы сигналов на разных этапах обработки сигналов
Как видно из рис. 4, форма сигналов при моделировании и экспериментальных измерениях качественно согласуются. При измерениях по и против потока разница в задержке А? по результатам обработки и усреднения по 45 импульсам составила порядка 5 мкс. По приближенным оценкам это соответствует скорости потока порядка единиц м/с и согласуется с параметрами производительности вентилятора. Измеренная задержка (5 мкс) составляет порядка 1/5 от периода УЗ волны.
Таким образом, при высокой турбулентности и пространственно-временной неоднородности потока предлагаемый алгоритм обработки сигналов позволяет обеспечить высокое временное разрешение.
Выводы. Предлагаемый в работе алгоритм предполагает цифровую фазовую модуляцию сигналов с последующей корреляционной обработкой и выделение средневзвешенного временного положения центра мощности кор-
реляционной функции при помощи микропроцессорных средств. Это дает возможность значительно повысить разрешающую способность УЗ измерений с учетом пространственно-временной неоднородности газовой среды.
Литература
1. БлохинцевД.И. Акустика неоднородной движущейся среды. М.: Наука, 1981. 208 с.
2. БреховскихЛ.М., Годин О.А. Акустика слоистых сред. М.: Наука, 1989. 320 с.
3. Бычкова И.Ю., Бычков А.В., Славутский Л.А. Импульсный ультразвуковой контроль стратификации воздуха над нагретой поверхностью // Вестник Чувашского университета. 2016. № 1. С. 39-46.
4. ГоноровскийИ.С. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Сов. радио, 1977. 608 с.
5. Колесников А.Е. Ультразвуковые измерения. М.: Изд-во стандартов, 1970. 210 с.
6. Костюков А.С., Славутский Л.А. Статистическая погрешность ультразвуковых измерений уровня жидкости при изменении состояния ее поверхности // Вестник Чувашского университета. 2009. № 2. С. 272-275.
7. Костюков А.С., НикандровМ.В., Славутский Л.А. Изменчивость случайной погрешности ультразвуковых импульсных и доплеровских измерений в неоднородной среде // Нелинейный мир. 2009. Т. 7, № 9. С. 700-705.
8. Костюков А.С., Славутский Л.А. Моделирование статистической погрешности ультразвуковых уровнемеров // Вестник Чувашского университета. 2007. № 2. С. 257-260.
9. BarkerR.H. Group synchronizing of binary digital sequences. Communication theory. London, Butterworth, 1953, pp. 373-287.
БЫЧКОВА ИРИНА ЮРЬЕВНА - аспирантка кафедры автоматики и управления в технических системах, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары ([email protected]).
БЫ1ЧКОВ АНАТОЛИЙ ВЛАДИМИРОВИЧ - аспирант кафедры электрических и электронных аппаратов, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары.
СЛАВУТСКИЙ ЛЕОНИД АНАТОЛЬЕВИЧ - доктор физико-математических наук, профессор кафедры автоматики и управления в технических системах, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары ([email protected]).
I. BYCHKOVA, A. BYCHKOV, L. SLAVUTSKII ALGORITHM OF SIGNALS CORRELATION PROCESSING ON DOUBLE-BEAM ULTRASONIC PROPAGATION
Key words: ultrasound, pulse measurements, phase-modulated signals, correlation processing.
The algorithm for correlation processing of pulsed ultrasonic signals is proposed. It uses the digital phase modulation of signals to increase the resolution of ultrasonic devices. The algorithm allows high resolution measurements of the small delay between the pulses arriving at the receiver at different trajectories of propagation in an inhomogeneous medium. The laboratory experimental measurements were carried out at scattering of ultrasound in the non-uniform air flow. The possibility to measure time delays which are significantly shorter than the period of the carrier wave.
References
1. Blokhintsev D.I. Akustika neodnorodnoi dvizhushcheisya sredy [Acoustics of inhomogeneous moving medium]. Moscow, Nauka Publ, 1981, 208 p.
2. Brekhovskikh L.M., Godin O.A. Akustika sloistykh sred [Acoustics of layered media]. Moscow, Nauka Publ, 1989, 320 p.
3. Bychkova I.Yu., Bychkov A.V., Slavutskii L.A. Impulsnyj ultrazvukovoj control stratifikacii vozduha nad nagretoj poverhnostyu [Pulse ultrasonic control of the air stratification over the heated surface]. Vestnik Chuvashskogo universiteta, 2016, no. 1, pp. 39-46.
4. Gonorovskii I.S. Radiotekhnicheskie tsepi i signaly [Radio circuits and signals]. Moscow, Sovetskoe radio Publ., 1977, 608 p.
5. Kolesnikov A.E. Ul'trazvukovye izmereniya [Ultrasonic measurements]. Moscow, 1970, 210 p.
6. Kostyukov A.S., Slavutskii L.A. Statisticheskaya pogreshnost' ul'trazvukovykh izmerenii urov-nya zhidkosti pri izmenenii sostoyaniya ee poverkhnosti. [Statistic error of ultrasonic level measurements for different surface conditions] Vestnik Chuvashskogo universiteta, 2009, no. 2, pp. 272-275.
7. Kostyukov A.S., Nikandrov M.V., Slavutskii L.A. Izmenchivost' sluchainoi pogreshnosti ul'trazvukovykh impul'snykh i doplerovskikh izmerenii v neodnorodnoi srede. [The Statistical Error Variations of Pulsed and Doppler Ultrasonic Measurements in Inhomogeneous Medium]. Nelineinyi mir [Nonlinear world], 2009, vol. 7, no. 9, pp. 700-705.
8. Kostyukov A.S., Slavutskii L.A. Modelirovanie statisticheskoi pogreshnosti ul'trazvukovykh urovnemerov [Simulation of statistical error of ultrasonic level meter]. Vestnik Chuvashskogo universiteta, 2007, no. 2, pp. 257-260.
9. Barker R.H. Group synchronizing of binary digital sequences. Communication theory. London, Butterworth, 1953, pp. 373-287.
BYCHKOVA IRINA - Post-Graduate Student of Department of Automation and Management in Technical Systems, Chuvash State University, Russia, Cheboksary ([email protected]).
BYCHKOV ANATOLY - Post-Graduate Student of Electrical and Electronic Apparatuses Department, Chuvash State University, Russia, Cheboksary.
SLAVUTSKII LEONID - Doctor of Physics and Mathematical Sciences, Professor of Department of Automation and Management in Technical Systems, Chuvash State University, Russia, Cheboksary ([email protected]).
Ссылка на статью: Бычкова И.Ю., Бычков А.В., Славутский Л.А. Алгоритм корреляционной обработки сигналов при двухлучевом распространении ультразвука // Вестник Чувашского университета. - 2017. - № 1. - С. 218-224.
