CC BY
24
Анализ приведенных зависимостей позволил обосновать требования, предъявляемые к погрешности ДТ температуры Т образца контролируемой поверхности для пирометров с различной спектральной чувствительностью. При Т = 60°С и Д X = 3-5,5 мкм расчетная погрешность ДТ составила 1.1, 0.2 и 0.1 °С при коэффициенте излучения е = 0.1, 0.5 и 0.95 соответственно. Расчетная погрешность для пирометра со спектральной чувствительностью Д X = 7-14 мкм, приведенная на рис. 3а, при дискретности Де= 0,01 составила 1.4, 0.3 и 0.15 °С при коэффициенте излучения е = 0.1, 0.5 и 0.95 соответственно.
VI. Выводы и заключение
Результаты представленных исследований доказывают существование проблемы точности измерений, связанной с трудностями учёта коэффициентов излучения контролируемых поверхностей при бесконтактном пирометрическом контроле температуры. Получен вывод о целесообразности применения разработанного калибратора для учёта коэффициентов излучения контролируемых поверхностей с целью уменьшения неопределённости при бесконтактном измерении температуры. Это предложение позволит производить калибровку пирометров в условиях их эксплуатации с учетом неопределенности коэффициента излучения поверхностей контроля.
Список литературы
1. Левин Е. В., Окунев А. Ю. Влияние погрешностей задания рабочих параметров на точность измерения температуры инфракрасными приборами // Измерительная техника. 2016. № 1. С. 60-64.
2. Левин Е. В., Окунев А. Ю. Исследование точности измерения температуры на основе анализа энергетического баланса на приемнике излучения ИК-прибора // Измерительная техника. 2015. № 5. С. 48-52.
3. Фрунзе А. А., Фрунзе А. В. О погрешностях измерений температуры реальных объектов энергетическими пирометрами // Датчики и системы. 2014. № 3. С. 41-43.
4. Криксунов Л. З., Падалко Г. А. Тепловизоры: справ. К.: Техника, 1988. 166 с.
5. Свет Д. Я. Оптические методы измерения истинных температур. М.: Наука, 1982. 296 с.
6. Госсорг Ж. Инфракрасная термография. Основы, техника, применение: пер. с фр. М.: «Мир», 1988. 416 с.
УДК 621.394.5
ОЦЕНКА ВЕРОЯТНОСТИ ОШИБОК ПО ВЕЛИЧИНЕ ТЕЛЕГРФНЫХ ИСКАЖЕНИЙ THE ESTIMATION OF THE PROBABILITY OF ERROR LARGEST TELEGRPAH DISTORTION
А. В. Косых, В. Л. Хазан
Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия
A.V. Kosykh, V.L. Khazan
Omsk State Technical University, Omsk, Russia
Аннотация. Под воздействием различного рода аддитивных и мультипликативных помех передаваемые по каналам радиосвязи дискретные сообщения искажаются, что является причиной появления в них ошибок на приемной стороне радиолинии. Вероятность появления ошибок в принимаемом сообщении характеризует в каждый текущий момент времени качество канала связи, которое необходимо знать для адаптации радиолинии к условиям связи. Непосредственная оценка вероятности ошибок требует достаточно большого времени, которое во многих случаях превосходит интервал стационарности канала связи, что не дает возможности обеспечить оперативную адаптацию радиолинии к непрерывно изменяющимся условиям связи. Известно, что вероятность ошибок и величина телеграфных (краевых) искажений в принимаемом дискретном сообщении обусловлены отношением мощностей принимаемого сигнала и помехи, которое не может быть оценено непосредственно, так как оба эти компонента присутствуют в канале связи одновременно. Оценка величины телеграфных искажений занимает значительно меньше времени по сравнению с временем оценки вероятности ошибок. Поэтому целесообразно оценивать вероятность ошибок в канале связи опосредованно, производя оценку величины телеграфных ис-
кажений на ограниченном интервале времени в скользящем окне, которое меньше интервала стационарности канала связи. В статье описывается конкретный вариант технической (программной) реализации устройства для оценки величины телеграфных искажений. Результаты проведенных исследований могут быть использованы при проектировании устройств адаптации радиолиний к условиям связи.
Ключевые слова: дискретные сообщения, критерий качества канала связи, адаптация к условиям связи, отношение мощностей сигнала и помехи, скользящее окно, интервал стационарности.
Б01: 10.25206/2310-9793-2018-6-4-32-39
I. Введение
Передача дискретных сообщений по каналам радиосвязи осуществляется сигналами, у которых, как правило, местоположение границ элементарных посылок на оси времени кратно времени продолжительности одной элементарной посылки. При отсутствии различного рода мультипликативных и аддитивных помех границы элементарных посылок находятся на временной оси в конкретных местах, которые обусловлены передаваемой информацией, методом манипуляции, скоростью манипуляции и методом кодирования сообщения. Появление искажений в сообщении под воздействием различного рода мультипликативных и аддитивных помех приводит к тому, что местоположения границ элементарных посылок на оси времени отклоняются от тех, которые имели бы место, если бы помехи отсутствовали, и в результате этого с определенной вероятностью появляются ошибки в отдельных элементах принимаемого сообщения. Отклонения фронтов элементарных посылок под воздействием помех распределены по нормальному закону [1-4]. При этом средняя величина телеграфных искажений (СВТИ) и вероятность ошибок элементарных посылок зависят от отношения сигнала и помех [4, 5]. Отношение сигнала и помех с модификацией условий связи меняется, что приводит к изменениям как вероятности ошибок, так и СВТИ. Различного рода способы адаптации радиолиний к условиям связи требуют текущей оценки качества этих радиолиний, которая производится либо оценкой вероятности ошибок элементов сообщения, либо оценкой СВТИ. Для состоятельной оценки вероятности ошибок элементов требуется количество этих ошибок равное, как минимум, 20 [6]. Если оценку вероятности ошибок элементарных посылок производить на уровне значений порядка 10-2, то потребуется порядка 2000 элементарных посылок принимаемого сообщения. В случае относительно низких скоростей передачи сообщений, например, 50 Бод, оценка качества по обнаруженным ошибкам потребует времени порядка 40 с. Это время может во много раз превосходить время стационарности канала связи. Поэтому требуется более оперативный метод оценки качества нестационарных каналов связи. Таким методом является метод оценки качества канала связи по величине телеграфных искажений. Состоятельная оценка СВТИ требует, как минимум, 20 фронтов элементарных посылок. Поскольку в среднем один фронт приходится на две элементарных посылки, то количество элементарных посылок, необходимых для оценки СВТИ, составляет порядка 40, что в 50 раз меньше того количества, которое требуется для оценки качества канала связи по вероятности ошибки на уровне ошибок 10-2. Для скорости манипуляции 50 Бод оценить качество канала связи по величине телеграфных искажений для вышеуказанных условий можно менее чем за 1 с. Такое время для оценки качества канала связи по величине телеграфных искажений даже для низких скоростей манипуляции вполне приемлемо в случае относительно быстрых изменений условий связи.
II. Постановка задачи
Основной целью данной статьи является описание метода оценки определения СВТИ, который в соответствии с вышеизложенным является наиболее оперативным для оценки качества нестационарных каналов связи. Зная оценку СВТИ, можно оценить отношение сигнал/помеха И2 [5] и оценить вероятность ошибки по формуле:
Рош = 1е-ТГ. (2.1)
Здесь М - коэффициент, значение которого определяется видом манипуляции.
Для АМ М=4, для ЧМ М=2 и для ОФМ М=1.
Техническая реализация оценки СВТИ на сегодняшний день вызывает определенные трудности в связи со сложностью алгоритма определения СВТИ известными методами. В данной статье описывается относительно простой алгоритм определения СВТИ опосредованно через СКО отклонения фронтов ДТ от их среднего местоположения. Описываемый алгоритм может быть легко реализован программно на любом процессоре.
Iii. Оценка средней величины телеграфных искажений по их среднеквадратическим отклонениям
Как уже говорилось выше, отклонение фронтов элементарных посылок AT от их среднего значения подчиняется нормальному закону распределения вероятностей:
(AT)2
Р(АТ) =-^—е2а1т.
Средняя величина телеграфных искажений элементарных посылок АТср является процентным отношением среднего значения модуля отклонения фронтов элементарных посылок от их среднего места положения на заданном интервале времени к длительности элемента сообщения Т.
СВТИ = ^ 100% = a+=?|Ar(n)| 100%.
т RT
Здесь R - число фронтов элементарных посылок на заданном интервале времени.
Заданный интервал времени с учетом скорости манипуляции непрерывно смещается вдоль оси времени, являясь так называемым «скользящим окном» [5]. Непосредственное измерение СВТИ в скользящем окне является проблематичной задачей [5, 7, 8]. Однако возможно оценить СВТИ опосредованно с помощью оценки СКО сАТ фронтов элементарных посылок от их среднего местоположения. Взаимосвязь АТср и СКО сАТ случайной величины АТ описывается выражением [9]:
Д^ср = ^Одг = 0.798ОДг . (3.1)
Таким образом, оценив значение СКО величины ДТ сДТ, можно оценить и значение СВТИ. СКО сДТ можно оценить, если известна вероятность нахождения фронтов элементарных посылок Р(ДТ) в пределах временного интервала продолжительностью т. Модуль отклонения фронтов элементарных посылок подчиняется одностороннему нормальному закону распределения вероятностей р(|ДТ|):
(АТ)2
р(|ДГ|) = —^е2а1т для ДТ>0.
Вероятность нахождения фронтов элементарных посылок Р(ДТ) в пределах временного интервала продолжительностью т:
м2
Р(|Д^|) = /о^62^). На рис. 1 сплошными линиями изображены графики дифференциального р(|"~~"|) и интегрального р(|"~~"|)
„ I АГ I
распределения вероятностей нормированной случайной величины |—|.
Рис. 1. Дифференциальное р(|~|) и интегральное р(|~"|)
„ I АГ I
распределение вероятностей случайной величины |—|
Как видно из приведенных графиков, значение СКО случайной величины ДТ реализуется на уровне ее интегрального распределения вероятностей, равном 0.68. Таким образом, определяя значение телеграфных искажений на уровне интегрального распределения вероятностей 0.7, можно оценить значение СКО телеграфных искажений. Зная СКО телеграфных искажений и умножая это СКО, согласно (3.1), на 0.798, можно получить оценку среднего значения телеграфных искажений ДТср и в конечном итоге:
СВТИ=100ДТср/Т = 79.8 СКО/Т. (3.2)
IV. Оценка вероятности ошибок по средней величине телеграфных икажений Согласно [5]:
^ [дБ] + 2); ^чм [дБ] !);
^ОФМ [ДБ] «(¡ВИ- 4). (4.1)
Зная И2 в [дБ], можно определить вероятность ошибок по формуле (2.1), найдя отношение сигнал/помеха И2 следующим образом:
„ ^2[дБ]
й2 = (4.2)
В итоге, с учетом (4.1) и (4.2), имеем следующие выражения для опосредованной оценки вероятностей ошибок по СВТИ:
"ошАМ « 2 ®
"ошЧМ « 2 6
Рошофм«^6 1 . (4.3)
144+2
1 -10_10
144 1
1 -10_10
144
7ТтГ77-4
В таблице, приведенной ниже, показана зависимость вероятностей ошибок от СВТИ, СКО и ТИ. СВТИ=100ДТср/Т = 79.8 СКО/Т.
Общепринятое значения телеграфных искажений ТИ [10] приблизительно равно трем значениям средне-квадратического отклонения, которое дано в процентном отношении (правило «трех сигма» [6]). Поэтому ТИ% = 300 СК0/Т = 3.76СВТИ. Вполне естественно, что вероятность ошибки зависит только от величины телеграфных искажений и не зависит от типа демодулятора.
ТАБЛИЦА
ЗАВИСИМОСТЬ ВЕРОЯТНОСТИ ОШИБОК ОТ ТЕЛЕГРАФНЫХ ИСКАЖЕНИЙ
СВТИ % 8 10 11 12 15 25 30 40 50
СКО % 10 12.5 13.8 15 18.8 31.3 37.6 50.1 62.7
ТИ % 30 37.5 41.4 45 - - - - -
Р А ош 7-10-12 9-10-6 1.5-10-4 1-10-3 1.35-10-2 1-10-1 1.5-10-1 2-10-1 2.3-10-1
На рис. 2 изображена зависимость вероятности ошибок в канале связи от СВТИ.
Р i к
0.5
101
10-2 10-3 10-4 10-5 10-6
10 20 30 40 50 свти
Рис. 2. Зависимость вероятности ошибок в канале связи от средней величины телеграфных искажений
СВТИ менее 12% соответствует вероятности ошибок менее 10-3, что можно оценить как отличное состояние канала связи. СВТИ более 25% соответствует вероятности ошибок более 10-1, что можно оценить как плохое состояние канала связи. СВТИ на интервале от 12% до 25% соответствует значениям вероятности ошибок от 10-1 до 10-3 и может считаться хорошим состоянием канала связи.
V. Способ оценки средней величины телеграфных икажений
На рис. 3 изображена блок-схема определителя оценок СВТИ. На рис. 3 обозначено:
ОФ - обнаружитель фронтов в принимаемой бинарной последовательности; ЦП - циклический переключатель;
ФИ - формирователи однополярных П-образных импульсных последовательностей с периодом Т (в количестве К);
(+) - сумматоры импульсных последовательностей; ТР - триггер;
ИДИ - измеритель длительности импульса на выходе триггера;
ИДВИ - измеритель длительности колоколообразного импульса на выходе первого сумматора на уровне значения вероятности отклонения фронта посылки в заданных пределах 0.7; (-) - вычитатель;
УВ СВТИ - устройство вычисления средней величины телеграфных искажений.
Вх
ОФ
ФИ(1)
1 ►
ЦП
1 ►
►
ФИ (2)
ФИ (]
ТТ
> +
ФИ (]
Напряжение о
+
идв
ТР
ИД
I
УВ СВТИ
Вых
Рис. 3. Блок-схема определителя оценок СВТИ случайных величин ДТ
С выхода триггера демодулятора бинарная последовательность с телеграфными искажениями подается на вход определителя фронтов. Сформированные определителем фронтов короткие импульсы с помощью циклического переключателя по очереди поступают на входы формирователей однополярных П-образных импульсных последовательностей, имеющих период Т, и определяют начальную фазу генерируемых ФИ последовательностей импульсов. Наиболее целесообразно чтобы скважность этих последовательностей была равна 2, т. е. импульсные последовательности представляли бы собой меандры. В этом случае длительность П-образных импульсов Ти будет равно половине длительности элементарных посылок (Ти = Т/2). П-образные импульсы с выходов всех N формирователей импульсных последовательностей суммируются и с выхода сумматора поступают на следующий сумматор, на второй вход которого подается напряжение смещения такой величины, чтобы нулевой уровень на выходе этого сумматора соответствовал уровню оценки вероятности нахождения фронтов элементарных посылок, равном 0.7, на соответствующем интервале времени. Этот интервал определяется как разность длительности импульсов на выходе триггера, включенного на выходе второго сумматора и интервала времени Т/2 (длительность П-образного импульса).
На рис. 4 представлена зависимость напряжения на выходе первого сумматора при наличии телеграфных искажений в случае 20 формирователей последовательностей П-образных импульсов.
Пунктирной горизонтальной жирной линией показан уровень напряжения, при котором срабатывает триггер, подключенный к выходу второго сумматора при условии, что вероятность отклонения фронтов элементарных посылок от их среднего положения составляет порядка 0.7.
В случае, когда последовательность П-образных импульсов является меандром (скважность равна 2-м) оценка СКО сДТ = (Дг0.7- 0.5Т)/Т.
В результате определяется оценка значения
СВТИ = 79,8 сДТ% = 79,8(Дг0л - 0.5Т)/Т %.
Рис. 4. Зависимость напряжения на выходе первого сумматора при 20 формирователях последовательностей П - образных импульсов и при наличии телеграфных искажений
VI. Алгоритм оценки свти и вероятности ошибок элементов
в передаваемом дискретном сообщении
С учетом вышеизложенного алгоритм оценки СВТИ и вероятности ошибок элементов на заданном интервале времени передачи дискретных сообщений сводится к следующим операциям:
• N следующих друг за другом фронтов элементарных посылок в скользящем окне формируют, соответственно, N бинарных последовательностей, например, меандров с периодом Т и амплитудой, равной одной условной единице.
• Сформированные бинарные последовательности суммируются.
• При отсутствии телеграфных искажений на выходе сумматора будет иметь место бинарная последовательность П-образных импульсов, амплитуды которых равны N условным единицам.
• При наличии телеграфных искажений форма импульсов становится колоколообразной из-за рассеивания фронтов элементарных посылок относительно их среднего значения.
• Определяется ширина колоколообразных импульсов на уровне вероятности отклонения фронтов элементарных посылок от их среднего значения, равной 0.7.
• Длительность половины П-образного импульса вычитается из длительности ширины колоколообразных импульсов на уровне 0.7N. Полученная разность является СКО СдТ телеграфных искажений, определенной на интервале времени последовательного появления N фронтов элементарных посылок.
• Умножая полученное значение СКО сДТ телеграфных посылок на 0.798, получают среднее значение ДТср.
• Разделив среднее значение ДТср на длительность элементарной посылки Т и умножив полученный результат на 100, получают значение СВТИ=ДТср/Т %.
• Зная СВТИ, с помощью уравнений (4.3) определяют оценку вероятности ошибок Рош элементов сообщения.
VII. Анализ результатов исследований
Результаты исследования показали, что, зная СКО фронтов телеграфных посылок от их среднего места положения сДТ и используя выражение (3.2), возможно оценить среднюю величину телеграфных искажений СВТИ. В статье описан оперативный алгоритм оценки текущего значения СВТИ.
Определив СВТИ и зная взаимосвязь между СВТИ и Рош, можно с помощью формул (4.3) опосредованно оценить текущее значение вероятности ошибок во время приема дискретного сообщения. При этом опосредованная оценка этой вероятности ошибки занимает во много раз меньше времени, чем прямое определение этой оценки, что очень важно для организации различных режимов адаптации радиолиний к условиям связи.
В статье показано:
- СВТИ менее 12% соответствует вероятности ошибок менее 10-3, что соответствует отличному качеству канала связи;
- СВТИ более 25% соответствует вероятности ошибок более 10-1, что можно оценить как плохое состояние канала связи;
- СВТИ на интервале от 12% до 25% соответствует значениям вероятности ошибок от 10-1 до 10-3, что в этом случае позволяет считать канал связи хорошим.
VIII. Выводы и заключение
Результаты исследований показали, что между величиной телеграфных искажений и вероятностью ошибок существует однозначная аналитическая зависимость, которая позволяет, определив среднюю величину телеграфных искажений, опосредованно оценить текущее значение вероятности ошибок элементов принимаемого дискретного сообщения. При этом такого рода опосредованная оценка вероятности ошибок занимает во много раз меньше времени по сравнению с непосредственной ее оценкой, что чрезвычайно важно при проектировании устройств адаптации радиолиний к условиям связи.
Описанный алгоритм определения оценки СКО фронтов элементов дискретного сообщения от их среднего места положения позволяет относительно просто оценить один из самых значимых параметров принимаемого сигнала - СВТИ, который характеризует его качество и позволяет принять необходимые меры по адаптации радиолинии к постоянно меняющимся условиям связи.
Список литературы
1. Хазан В. Каналы связи. Модели, линейные и нелинейные искажения // Pflmarium academic publishing. 2015. 232 c.
2. Hazan V. Kommunikationskanale Physikalische und Computersimulationsmodelle // AkademikerVerlag. 2018. 90 c.
3. Абдуллаев Д. А., Арипов М. Н. Передача дискретных сообщений в задачах и упражнениях. М.: Радио и связь, 1985. 128 с.
4. Васин В. А. [и др.]. Радиосистемы передачи информации. М.: Горячая линия-Телеком, 2005. 472 c.
5. Косых А. В., Хазан В. Л. Способ оценки качества нестационарных каналов радиосвязи по величине телеграфных искажений. // Динамика систем, механизмов и машин. 2017. Т. 5, № 4. С. 28-33.
6. Венцель Е. С. Теория вероятностей. М.: КНОРУС, 2010. 664 с.
7. Коннов Н. Н., Домнин А. Л. Разработка модели алгоритма «скользящего» окна цветными временными сетями Петри // Естественные и математические науки в современном мире: сб. матер. XI междунар. науч.-практ. конф. Новосибирск: СибАК, 2013. № 9-10.
8. Pramod Bhatotia, Marcel Dischinger, Rodrigo Rodrigues, Umut A. Acar. Slider: Incremental Sliding-Window Computations for Large-Scale Data Analysis. MPI-SWS, CITI / Universidade Nova de Lisboa, CMUTechnical Report: MPI-SWS-2012-004 September 2012 .
9. Абергауз Г. Г. [и др.]. Справочник по вероятностным расчетам. М.: Военное издательство МО СССР, 1966. 408 с.
10. Сартасов Н. А., Едвабный В. М., Грибин В. В. Коротковолновые магистральные радиоприемные устройства. М.: Связь, 1971. 288 с.
УДК 681.786.5
ЭЛЕКТРОКАПЛЕСТРУЙНЫЙ МИКРОСКОП ДЛЯ АКТИВНОГО КОНТРОЛЯ НЕРОВНОСТЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ИЗДЕЛИЯ
ELECTRO-DROP-JET MICROSCOPE FOR ACTIVE CONTROL OF THE SURFACE ROUGHNESS OF THE PRODUCT
Е. В. Леун
АО «НПО Лавочкина», г. Химки, Россия
E. V. Leun Lavochkin Association, Khimki, Russia
Аннотация. В статье обсуждаются вопросы состава, принципа действия, двух основных режимов работы и взаимосвязей основных параметров разработанного электрокаплеструйного микроскопа, реализующего новый способ визуализации поверхности изделия для активного контроля ее неровностей. В основе работы устройства лежит использование электрокаплеструйной технологии для управления траекторией движения когерентного монодисперсного потока капель прозрачной жидкости, в т.ч. являющейся СОЖ, выполняющих роль фокусирующих линз для передачи оптического изображения как у обычного твердотельного микроскопа. Регистрация изображения осуществляется импульсно. Представлены одно- и двухкапельный режимы работы электрокаплеструйного микроскопа: на основе одиночной движущейся капли и в виде сочетания эллипсоидной капли, сплюснутой после удара о поверхность изделия, и приближающейся к ней движущейся капли.
Ключевые слова: капля, жидкая линза, микроскоп, контроль неровностей поверхности изделия, элек-трокаплеструйные технологии.
DOI: 10.25206/2310-9793-2018-6-4-39-47
I. Введение
В настоящее время в ракетно-космических отраслях, станко-, машино- и приборостроении за рубежом и в России активно развиваются гидротехнологии, особенно на стыках разных направлений. Так, например, развиваются оптические методы и средства с использованием жидких линз, используемых для управления различными параметрами оптических потоков [1, 2]. Также совершенствуются гидроструйные и капельные технологии соответственно для обработки материалов и измерений размеров изделий, а также формирования монодисперсных когерентных капельных потоков для холодильников-излучателей космических аппаратов [3-5], в электрокаплеструйных технологиях для струйной печати, маркировки, крашения и промывки волокон и нитей [6-10], для изучения поведения капли или капельного потока в электрическом и магнитном полях [11], исследования характера и последствий удара капли о преграду [12-17] и т.д. Все это создает предпосылки для расширения области их применения за счет разработки методов и средств передачи оптических сигналов.
