CC BY
49
Министерство образования и науки РФ
Правительство Пензенской области Академия информатизации образования Академия проблем качества РФ Российская академия космонавтики им. К.Э.Циолковского Российская инженерная академия Вычислительный центр РАН им. А.А.Дородницына Институт испытаний и сертификации ВВТ ОАО «Радиотехнический институт имени академика А.Л.Минца» ОАО «УПКБ ДЕТАЛЬ», ОАО «РУБИН» ОАО «НИИФИ», ОАО «ПНИЭИ», ФГУП ФНПЦ «ПО СТАРТ», НИКИРЭТ, ЗАО «НИИФИиВТ» ОАО «ППО ЭЛЕКТРОПРИБОР», ОАО «РАДИОЗАВОД» Пензенский филиал ФГУП НТЦ «АТЛАС» ОАО «ТЕХПРОММАШ», МИЭМ НИУ ВШЭ, Евразийский Национальный университет им. Л.Н. Гумилева Сургутский институт мировой экономики и бизнеса «ПЛАНЕТА» Пензенский государственный университет
АадижУ{%шсж
ТРУДЫ
МЕЖДУНАРОДНОГО СИМПОЗИУМА
НАДЕЖНОСТЬ И КАЧЕСТВО
II то^
ПЕНЗА 2015
УДК 621.396.6:621.315.616.97:658:562 Т78
Труды Международного симпозиума «НАДЕЖНОСТЬ И КАЧЕСТВО»:
T78 в 2 т. - Пенза : ПГУ, 2015. - 2 том - 384 с.
ISBN 978-94170-818-5(т.1) ISBN 978-94170-818-8
В сборник трудов включены доклады юбилейного ХХ-го Международного симпозиума «Надежность и качество», проходившего с 25 по 31 мая 2015 г. в городе Пензе.
Рассмотрены актуальные проблемы теории и практики повышения надежности и качества; эффективности внедрения инновационных и информационных технологий в фундаментальных научных и прикладных исследованиях, образовательных и коммуникативных системах и средах, экономике и юриспруденции; методов и средств анализа и прогнозирования показателей надежности и качества приборов, устройств и систем, а также анализа непараметрических моделей и оценки остаточного ресурса изделий двойного назначения; ресурсосбережения; проектирования интеллектуальных экспертных и диагностических систем; систем управления и связи; интерактивных, телекоммуникационных сетей и сервисных систем; экологического мониторинга и контроля состояния окружающей среды и биологических объектов; исследования физико-технологических процессов в науке, технике и технологиях для повышения качества выпускаемых изделий радиопромышленности, приборостроения, аэрокосмического и топливно-энергетического комплексов, электроники и вычислительной техники и др.
Оргкомитет благодарит за поддержку в организации и проведении Международного симпозиума и издании настоящих трудов Министерство образования и науки РФ, Правительство Пензенской области, Академию проблем качества РФ, Российскую академию космонавтики им. К. Э. Циолковского, Российскую инженерную академию, Академию информатизации образования, Вычислительный центр РАН им. А. А. Дородницына, Институт испытаний и сертификации ВВТ, ОАО «Радиотехнический институт имени академика А.Л. Минца», ОАО «УПКБ ДЕТАЛЬ», ОАО «НИИФИ», ФГУП «ПНИЭИ», ОАО «РУБИН», ОАО «РАДИОЗАВОД», ОАО «ППО ЭЛЕКТРИПРИБОР», ФГУП «ПО «СТАРТ», НИКИРЭТ - филиал ФГУП «ПО «СТАРТ», Пензенский филиал ФГУП НТЦ «АТЛАС», ОАО «ТЕХПРОММАШ», МИЭМ НИУ ВШЭ, Евразийский Национальный университет им. Л.Н. Гумилева, Сургутский институт мировой экономики и бизнеса «ПЛАНЕТА»,Пензенский государственный университет.
Сборник статей зарегистрирован в Российском индексе научного цитирования (РИНЦ) с 2005 г.
Р е д а к ц и о н н а я к о л л е г и я :
Юрков Н. К. - главный редактор Трусов В. А. - ответственный секретарь Баннов В. Я. - ученый секретарь Волчихин В. И., Абрамов О. В., Авакян А. А., Дивеев А.И., Иофин А. А., Каштанов В. А., Майстер В. А., Острейковский В.А., Петров Б. М., Писарев В. Н., Роберт И. В., Романенко Ю. А., Северцев Н. А., Садыков С. С., Садыхов Г. С., Увайсов С. У.
ISBN 978-94170-818-5(т.1) ISBN 978-94170-818-8
© Оргкомитет симпозиума, 2015 © ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет», 2015
тот, соответственно ФНЧ1 и ФНЧ2, необходимо для придания астатизма данным контурам, т.е. чтобы в процессе работы не происходила потеря ими своей устойчивости.
Сформированные на выходах ЧД1 и ЧД2 и усиленные до требуемого значения усилителями постоянного тока, соответственно УПТ1 и УПТ2, управляющие напряжения иупр Д1 и иупр Д2 действуют на варикапы, входящие в состав УГ1 и УГ2, тем самым изменяя значения частот вырабатываемых последними напряжений, в результате чего частоты выходных напряжений ЧД1 и ЧД2 становятся одинаковыми и равными 1500Гц. Затем напряжения и1£Д1 и и1£Д2 поступают соответственно на первый и второй входы ФД, реализованного по традиционной схеме [6], на выходе которого формируется напряжение постоянного тока, амплитуда которого определяется разностью фаз сигналов допплеровских приращений частоты разнесенных по частоте зондирующих сигналов £И1 и ±И2 МРЛ. Далее данное напряжение используется в системе
обработки МРЛ для окончательного получения значения расстояния до обнаруженного МО.
Практически все используемые в структуре СФД функциональные узлы могут быть реализованы при помощи схемотехнических предложений, на базе операционных усилителей, приведенные в [7]. При этом с целью улучшения линейности их передаточных характеристик, а в целом значит и улучшения метрологических характеристик всего СФД, рекомендуется воспользоваться методом структурной коррекции погрешности передаточной функции каждого ОУ [8], используемого при реализации того или иного функционального узла в составе СФД.
В заключении следует отметить, что предлагаемый метод построения измерителя на базе специализированного фазового детектора может быть использован везде, где возникает необходимость оценки фазового сдвига между двумя гармоническими сигналами, имеющими различные значения частоты повторения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Мещеряков В. С., Чайковский В. М. Метеорологический радиолокатор. - Труды междунар. симпозиума "Надежность и качество" Т. 2, Пенза, 2012 г.
2. Обеспечение помехоустойчивости информационных коммуникаций в интеллектуальной радиолокационной системе / А. Н. Якимов, В. Б. Лебедев // Научный журнал Изв. высш.уч.завед. Поволжский регион.- 2 012.-№1.
3. Радиотехнические системы. Под ред. проф. Ю. М. Казаринова. 1990 г.
4. Кочегаров И.И. Программно-аппаратный комплекс разработки РЭС на основе ПЛИС и исследования их механических параметров / Кочегаров И.И., Таньков Г.В., Трусов В.А. // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2010. Т. 2. С. 421-424.
5. Гоноровский И.С., Демин М.П. Радиотехнические цепи и сигналы М.: "Радио и связь", 1994.
6. Мамий А. Р., Тлячев В. Б. Операционные усилители. - Майкоп: АГУ, 2005.
7. Коновалов Г.Ф. Радиоавтоматика: "Высшая школа"., 1990
8. Кочегаров И.И. Алгоритм выявления латентных технологических дефектов печатных плат методом оптического контроля / Кочегаров И.И., Ханин И.В., Лысенко А.В., Юрков Н.К., Алмаметов В.Б. // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. 2013. № 3 (27). С. 105114.
9. Гаврилов С.А. Искусство схемотехники. Просто о сложном. - Т1,Т2 - СПб.: "Наука и техника", 2011.
10. Чайковский В.М. Мартяшин А.И. и др. Масштабный усилитель: А.С. СССР № 1120356, БИ № 39, 1984.
УДК 537.871.7
Белов А.В., Мещеряков В.С., Чайковский В.М.
ФГБОУ ВПО «Пензенский Государственный Университет», Пенза, Россия
МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ ДОППЛЕРОВСКИЙ РАДИОЛОКАТОР
В настоящее время практическое использование получаемой, тем или иным способом, метеорологической информации выделяется в целый ряд прикладных направлений метеорологии, одним из которых, причем наиболее важнейшим, является синоптическое.
Сложно переоценить практическое значение знаний о причинах возникновения различных атмосферных явлений, а также умение не только предсказывать появление этих явлений, но и уметь своевременно давать предупреждение о приближении тех или иных опасных метео-образований (МО), представляющих угрозу привычному ходу жизнедеятельности человека.
Прогнозирование состояния условий погоды достаточно успешно может быть осуществлено с помощью допплеровского метеорологического радиолокатора МЕТЕОР-500С и метеоро-логического радиолокатора МРЛ-5, работающего в импульсном режиме и излучающего электромагнитную энергию сверхвысокочастотного диапазона (обычно с длинной волны X от одного сантиметра до десяти) в виде кратковременных зондирующих импульсов [1,2,3].
При помощи параболической антенны зондирующему излучению придается узконаправленный характер с шириной диаграммы направленности, как правило, не превышающей 0.5 градуса.
Когда распространяющийся зондирующий сигнал встречает на своем пути МО, часть его энергии отражается от него по направлению к приемной антенне.
Мощность принимаемого сигнала, много меньше по сравнению с мощностью излучаемого, поэтому
первый нуждается в усилении, сначала антенной, а затем приемником, и после детектирования он поступает на устройство визуального отображения информации.
МРЛ - 5 фиксирует наличие МО и его характеристики по косвенным признакам, таким как измерение высоты верхней границы, а так же отражаемости зондирующего сигнала от облачности. После чего с помощью радиолокационных критериев принимается решение об его опасности, причем радиус обнаружения опасных МО, находящихся над земной поверхностью на высоте 1 км., данным МРЛ не превышает 200 км.
Внедрение взамен устаревшего МРЛ более современных автоматизированных допплеровских радиолокаторов, позволяет получать информацию об облаках и ожидаемых осадках в режиме реального времени [2, 4]. Допплеровские МРЛ позволяют существенно повысить достоверность своевременного обнаружения приближающегося МО (шквала, смерча, града) и точно спрогнозировать присущее им количество осадков.
Суть предлагаемого устройства заключается в том, что в основе его работы лежит использование эффекта Допплера, проявляющегося на двух, разнесенных по значению частотах зондирующего сигнала, представляющего собой высокочастотное гармоническое колебание с фиксированным значением частоты. Данный прием позволяет, за счет проведения последующей операции усреднения результатов измерения радиальной скорости между измерениями на каждом значении частоты повторения зондирующего сигнала, что несомненно позволяет более точно оценить значение радиальной
скорости перемещения обнаруженного МО, а также позволяет оценить значение расстояния до него.
Причем последнее достигается путем оценки разности фаз, образующейся между допплеровскими приращениями, возникающими соответственно на каждой из используемых частот повторения зондирующего сигнала. Последнее позволяет резко увеличить скорость получения более достоверной метеорологической информации.
Значимость метеорологической информации существенно возрастает при объединении данных от нескольких МРЛ с дальнейшим построением композитных (сшитых) карт погоды. Определение скорости на основе эффекта Допплера позволяет оценить только значение радиальной скорости МО, тогда как сеть таких станций позволяет определить значение не только полной скорости, но и траекторию движения МО, что позволяет усилить оперативность слежения за ходом развития и протекания различных процессов синопти-ческого характера (атмосферные фронты, линии шквалов, зоны осадков).
Результаты исследований, проведенные ЗАО «ИРАМ» показали [6], что рабочие частоты зондирующего сигнала должны находиться в диапазоне сантиметровых и дециметровых волн, что соответ-
ствует С-диапазону. Согласно классификации IEEE, этот диапазон простирается от 4 до 8 ГГц электромагнитного спектра (длины волн от 7,5 до 3,75 см). Использование зондирующего сигнала именно в этом диапазоне, позволяет учитывать специфическую особенность отражаемости МО [5].
Структурная схема предлагаемого метеорологического радиолокатора, изображена на Рис.1, работа его осуществляется следующим образом.
По команде микропроцессора (МП) передатчики РПУ1 и РПУ2, в состав которых входят опорные генератора гармонических колебаний с фиксированными значениями частот, соответственно fm = 5500 МГц и fH2 = 6000 МГц, вырабатывают зондирующие сигналы, поступающие на соответствующие передающие антенны А1 и А2, которые формируют лучи, направленные в сторону МО. Обоснование выбора указанных значений частот зондирующего сигнала не приводится в силу ограниченности объема данной работы.
Частоты зондирующих сигналов, отраженных от МО, соответственно будут равны значениям частот излучения с соответствующими допплеров-
кими приращениями fc:
+ fn
и fc
+ fn
И1
И2
Ицдякатор
Рисунок 1
Далее эти сигналы, принимаемые соответствующими приемными антеннами А3 и А4 поступают на первые входы балансных смесителей Бсм! , Бсм2 [1]. На вторые входы, которых поступают, в качестве опорных, сигналы от генераторов высокочастотных колебаний, входящих в состав РПУ1 и РПУ2.
На выходах Бсм1 и Бсм2 выделяются низкочастотные колебания допплеровских приращений частот соответственно ^ и , амплитуды которых после усиления их соответствующими УНЧ1 и УНЧ2 с доведением их до нормированного уровня в 1В, сразу преобразуются АЦП в цифровой сигнал в виде кодовых комбинаций и Ы2, и подаются на
МП, таким об-разом осуществляется преобразование значений величин ^ и в соответствующие коды.
В самом МП [7] происходит определение значения радиальной скорости МО на каждом из значений частот зондирующего сигнала, затем осуществляется усреднение этих значений и полученное при этом значение скорости МО Ук окончательно выводится на индикатор.
Каждая передающая антенна А1 и А2 располагаются в непосредственной близости от приемных А3 и А4 и соответствующих приемников РПр1 и РПр2, что облегчает работу соответствующих балансных смесителей Бсм1 и Бсм2.
При этом значение радиальной скорости VR МО будет определяться путем оценки значения доп-
плеровского смещения частоты f [1], VR = Ли • Гд / 2 причем проводиться это будет дважды, соответственно на fm и fm , в результате чего будут соответственно получены значения VR1 и Vr2.
Данные значения получаются в результате операции масштабирования, выполняемой МП, значений частот fn1 и на половину длины волны зонди-
рующего сигнала, и равняющегося 0,027 метров для частоты зондирующего сигнала 5500 МГц и 0,025 метров соответственно для 6000 МГц.
Далее, окончательное значение радиальной скорости МО VR находится посредством усреднения полученных значений VR1 и VR2.
„ _ Vri+VR2
VR — R 2
Измерение дальности до МО основывается на том положении, что фаза отраженного сигнала зависит от пройденного им расстояния [1].
Так как формируемые РПУ1 и РПУ2 зондирующие сигналы, изменяющиеся по синусоидальному закону и имеющие нулевую начальную фазу, будут, в общем виде, выглядеть как:
u = U-sin Qt ,
напряжения каждого из отраженных сигналов, имеющих свое значение частоты зондирующего сигнала, на выходах приемников будут описываться, так же в общем виде, выражением вида: u = U • sin q (t - tj , а t = 2D / C , где t - время распространения зондирующего сигнала до МО и
обратно, D - расстояние до МО, С - скорость распространения зондирующего сигнала.
После соответствующих преобразований получается, что фазы каждого отраженного сигнала
.. 4-TC-D „ соответственно будут равны ^>1 =- и ^>2 =
C-VR
4-n-D
-при этом разность Д(р между ф! и ф2, с учетом
C-VR
того, что C >> VR будет равна Д(р = - • D,
c
c
из данного выражения следует, что D= --Дф,
(1)
где flf - разность между частотами зондирующих сигналов fm и fm ,
Дф - разность фаз между допплеровскими приращениями частот fs1 и fд2
Очевидно, что здесь используется метод доп-плеровского измерения расстояния до движущегося объекта на двух, разнесенных по значению, фикси-
Г,, Гц
рованных частотах зондирующего высокочастотного гармонического сигнала [1].
Оба значения соответствующих допплеровских приращений частоты, каждое из которых, имеет свое значение фазы, поступают на входы специального фазового детектора (СФД). С выхода которого напряжение, пропорциональное Дф , поступает на соответствующий вход МП, в котором окончательно определяется значение дальности до МО. Специфика построе-ния СФД заключается в том, что для оценки разности фаз между сигналами ОТД1 и ОТД2 , значения частот эти сигналов путем использования двух самостоятельных систем автомати-ческого частотного преобразования, осуществляемого в составе структуры самого СФД, делаются равными. Подробное описание схемотехнического приема построения СФД выходит за рами этот вопрос в
ки содержания данной работы дальнейшем будет непременно стоятельно.
рассмотрен само-
'Жесткий 'Депрессия > Шторм ¡шторм
Ураган
60
Рисунок 2
V„, м/с
Методика определения дальности до МО частично аналогичная определению радиальной скорости МО, т. е. процедура определения дальности сводится к операции умножения полу-чаемого значения разности фаз Дф между сигналами ОТД1 и ОТД2 на соответствующий коэффи-циент К , значение которого определяемое согласно выражения (1), будет равно 0,04 8 м/рад, при этом полученное значение дальности до МО так же выводится на индикатор.
В работе был проведен анализ зависимости значения допплеровского приращения частоты, получаемого зондирующим сигналом, от радиальной скорости МО. Его результаты приведены на рис.2, из которого видно, что значения доппле-ровских приращений, получающихся на каждой из разнесенных частотах зондирующего сигнала, достигают значения не превышающие 4 000 Гц, следует отметить, что данная информация важна для организации частотного преобразования в СФД.
На основании того, в какой области указанного частотного диапазона будет находиться значение допплеровского приращения частоты зондирующего сигнала, МП будет рассчитывать и выводить на индикатор окончательное значение радиальной скорости МО и дальности до него. Так же МП сопоставляя эти результаты с данными, заложенными в его память как классификационные признаки скорости ветра, т.е. радиальной скорости приближения обнаруженного МО, будет выдавать на индикаторное табло информацию о характере приближающегося МО типа «Шторм», «Ураган» и т.д.
В заключении следует отметить, что использование данного подхода при построении доппле-ровских МРЛ позволяет повысить оперативность и своевременно формирования раннего оповещения о приближающемся опасном МО в виде шквала, смерча, или града и так же спрогнозировать присущее им количество осадков.
междунар. симпо-
/ КоТ. 1.
ЛИТЕРАТУРА
1. Радиотехнические системы. Под ред. проф. Ю. М. Казаринова. 1990 г.
2. Мещеряков В. С., Чайковский В. М. Метеорологический радиолокатор. - Труды зиума "Надежность и качество" Т. 2, Пенза, 2012 г.
3. Кочегаров И.И. Компьютерный комплекс исследования основных функций микроконтроллеров чегаров И.И., Трусов В.А. // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2006. С. 192-194.
4. Чайковский В. М. Радиолокация в метеорологии // Университетское образование (МКУО-2014): сб. ст. XVIIIМеждунар. науч.-метод. конф. (г. Пенза, 10-11 апреля 2014 г.).- Пенза: Изд-во ПГУ, 2014.
5. Обеспечение помехоустойчивости информационных коммуникаций в интеллектуальной радиолокационной системе / А. Н. Якимов, В. Б. Лебедев // Научный журнал Изв. высш.уч.завед. Поволжский регион.- 2 012.-№1.
6. Воробьев Д.В. Одноканальное управление шаговым двигателем / Воробьев Д.В., Трусов В.А., Кочегаров И.И., Горячев Н.В. // Молодой ученый. 2015. № 3 (83). С. 110-113.
7. Радиолокационные измерения осадков - под ред. А.М. Боровикова, Л., 1967 г.
8. Метеорологические автоматизированные радиолокационные сети. - СПб.: Гидрометеоиздат, 2002.
9. Измерительные устройства на базе микропроцессора А^еда Авторы: Шонфелдер Г., Шнайдер К.
