авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |

Развитие информационной системы, теории и методов дистанционной диагностики контактной сети по параметрам электромагнитных радио- и оптических излучений дуговог

-- [ Страница 3 ] --

Проведено экспериментальное исследование радиоизлучений, возникающих от дугового токосъема, в реальных условиях начала образования гололеда на участке переменного тока. Выявлены и статистически подтверждены отличительные особенности радиосигналов от дугового токосъема в режиме гололеда, состоящие в выборе минимального числа импульсных сигналов, регистрируемых в одном полупериоде тока, и в общей длительности всего процесса. Проведенный статистический анализ и полученные гистограммы распределений амплитуд и фаз чередования импульсных радиосигналов свидетельствует, что при гололедном режиме импульсные выбросы большого уровня (импульс 2 на рис.8) образуются пробоями промежутка в начале полупериода тока, а выбросы меньшего уровня (импульс 1 на рис.8) – срезами тока перед подходом тягового тока к нулевому значению. Результаты статистической обработки позволяют считать справедливым предположение о причинах появления импульсных помех значительного уровня как минимум два раза за один полупериод тягового тока. Такой процесс будет длительным, и его время будет определяться временем прохождения ЭПС гололедного участка. Эти факторы позволяют отличить режим дугового токосъема при гололеде от других похожих режимов.

Для систем оптической регистрации необходим правильный выбор области спектральной чувствительности фотоприемника, обеспечивающего наибольшее отношение «сигнал – фон» на своем выходе. Такой фотоприемник должен быть наилучшим образом согласован со спектром излучаемого сигнала, и иметь наибольшее рассогласование со спектром фона. При определении спектрального диапазона, обеспечивающего наибольшее превышение сигнала над фоном, использовался относительный коэффициент использования излучения, как отношение коэффициентов использования спектра полезного сигнала и использования спектра фона. В качестве спектра сигнала выбиралось два температурных режима дуги. Поскольку спектральная характеристика излучения от дуговых отрывов меняется даже в процессе одного дугового нарушения, то для оценки спектра излучения дуги использовался самый неблагоприятный случай максимальных токов дуги (в расчетах принят ток 1200А). Дуга при таких токах излучает как абсолютно черное тело (АЧТ) с соответствующей току температурой плазмы 7700K. Для условий перегрузочного искрения в контакте «медь – медь» происходит разбрызгивание расплавленных частиц меди с температурой плавления T=1365K, а в контакте «уголь – медь» – расплавленных частиц углерода с температурой плавления T=3820K. Такие нагретые точки контакта и разбрызгиваемые частицы излучают непрерывный спектр, соответствующий излучению АЧТ с указанной температурой. Для получения расчетных значений относительного коэффициента использования излучения спектр мешающего фона задавался в виде спектра дневного неба (справочные данные). Установлено, что достаточным быстродействием и наибольшим коэффициентом в сравнении с кремниевыми структурами обладают фотоприемные структуры на основе германия, как для режима дуговых нарушений, так и перегрузочного искрения. Такие структуры работают в области спектра с длиной волны 0,2 до 2 мкм. В указанной области спектра проводилась экспериментальные исследование излучений от дуговых отрывов в реальных условиях движения ВИКС с пассажирским составом на участках постоянного и переменного тока. Характерные формы оптических сигналов показаны на рис.9 и рис.10.

Анализ полученного массива данных показал, что фотопотоки представляют собой импульсы случайной амплитуды, длительности и формы, которые не могут быть заданы аналитически. Это обстоятельство требует, учитывая многообразие форм сигналов, вероятностного подхода и определения усредненного по множеству сигналов их энергетического спектра. При исследованиях получены усредненные энергетические спектры оптических сигналов и помех «гладкого» фона дневного неба, представленного нормальным случайным процессом с ненулевым средним, из аддитивной смеси с которым необходимо выделить полезные сигналы. Установлено также, что распределение длительностей дуговых нарушений подчинено закону Релея. Диапазон длительностей составил от 1 до 50 мс.

а) б) в) г)

Рис.9. Характерные сигналы от одиночных дуговых нарушений токосъема на участках переменного тока (развертки 0,1 В/дел, 5 мс/дел): а) и б) при больших токах тяги;

в) при токе собственных нужд; г) при перегрузочном искрении

а) б) в) г)

Рис.10. Характерные сигналы от одиночных дуговых нарушений токосъема на участках постоянного тока (развертки 0,1 В/дел, 5 мс/дел): а) и б) при больших токах тяги;

в) при токе собственных нужд; г) при перегрузочном искрении

Анализ полученных результатов экспериментального исследования состава и случайных параметров электромагнитных радио и оптических полезных сигналов и сигналов помех требует построения следующих структур систем регистрации (рис.11 и рис.12), на которых выделены задачи, требующие теоретического обоснования с целью обеспечения достоверности регистрации, оптимальной регистрации и помехоустойчивости.

 Структура локальной системы-16 Рис.11. Структура локальной системы радиорегистрации

 Структура мобильной системы-17

Рис.12. Структура мобильной системы оптической регистрации

Обе структуры требуют обоснования и теоретического решения следующих задач, общих для обеих систем:

1) Определение частотного диапазона с максимумом отношения «входной сигнал – помеха» (обоснование выбора частотных областей произведено выше);

2) Оптимальная фильтрация полезных импульсных сигналов случайной формы из смеси с «гладкими» помехами фона.

3) Оптимизация порогов принятия решений о пропуске на алгоритмический анализ последовательностей импульсных сигналов;

4) Разработка алгоритмов распознавания импульсных полезных сигналов из последовательности с импульсными контактными и коммутационными помехами и определение регистрирующей способности систем.

Третья глава посвящена решению нескольких теоретических задач. Построение систем регистрации дуговых нарушений токосъема требует использования оптимального подхода к построению ее структуры. Начало главы посвящено теоретическим вопросам построения узлов оптимальной фильтрации полезных случайных аналоговых сигналов от дуговых нарушений токосъема из смеси с «гладкими» помехами и построению оптимальных (квазиоптимальных) фильтрующих устройств систем регистрации. Случайность и многообразие форм принимаемых импульсных сигналов от дуговых нарушений не дает возможности построить оптимальный фильтр в классическом его понимании. Для оптимизации в работе предложен критерий максимального отношения средней мощности полезного сигнала к средней мощности «гладкой» помехи на выходе фильтрующего звена с передаточной функцией K():

(1)

где – средний по времени квадрат амплитуды i-го сигнала на выходе звена; – средний по времени квадрат амплитуды помехи на выходе звена; Si() – модуль спектральной плотности i-го сигнала; K() – модуль передаточной функции искомого фильтра; Gп() – энергетический спектр мощности помехи; Ti – длительность i-го сигнала.

Максимизация (1) по множеству случайных сигналов приводит к следующему выражению для амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) оптимального фильтра:

, (2)

где Gп() – усредненный энергетический спектр мощности по всем импульсным сигналам; А – постоянная величина; W0() = const – спектральная плотности «белого» шума.

По выражению (2) с учетом полученных выражений аппроксимаций спектральной плотности полезных сигналов и фоновых помех синтезированы АЧХ квазиоптимальных фильтров для систем радиорегистрации в виде RC-фильтров первого порядка и активных RC-фильтров второго порядка – для систем оптической регистрации.

В главе рассматриваются вопросы определения помехоустойчивости, под которой понимается вероятность правильной регистрации импульсных полезных сигналов одиночных дуговых нарушений токосъема, вероятности их пропуска и вероятности появления ложных импульсов от помехи «гладкого» фона.

Таблица 1

Теоретические соотношения к оптимизации порогов регистрации импульсов полезных радио- и оптических сигналов в смеси с гладким фоном

Параметр Формула Номер формулы
Радиометод Вероятность пропуска импульсов полезных радиосигналов (3)
Условная плотность вероятности помехи на выходе фильтра (4)
Плотность вероятности сигнала на входе фильтра (5)
Оптический метод Вероятность пропуска импульсов полезных оптических сигналов (6)
Плотность вероятности амплитуды сигнала на выходе фильтра (7)
Условная плотность вероятности «гладкой» помехи на выходе фильтра (8)
Общие соотношения Оптимальный порог (9)
Среднеквадратическая частота «гладкой» помехи на выходе фильтра (10)
Среднее время повторения и интенсивность потока ложных импульсов (11)
Плотность вероятности «гладкой» помехи на выходе фильтра (12)
Среднеквадратическое отклонение помехи на выходе фильтра (13)
Вероятность прохождения на регистрацию ложных импульсов (14)

Основные теоретические соотношения, определяющие выбор оптимальных порогов принятия решений о пропуске отфильтрованных импульсных сигналов на алгоритмический анализ приведены в таблице 1. В таблице 1: X – текущее значение амплитуды импульсного радиосигнала, дБ; X – среднее значение амплитуд импульсных радиосигналов сигналов, дБ; xп – оптимальный порог принятия решений, В; В – полуслучайная амплитуда импульсов радио сигналов, В; – среднеквадратическое отклонение пиковых значений импульсных радиосигналов, дБ; 0 - среднеквадратическое отклонение «гладкого» фона, В; xв – сигнал «гладкой» помехи на выходе фильтра, В; y и yв – соответственно уровень полезного сигнала на входе и выходе фильтра, В; y – параметр распределения Релея для амплитуд импульсных сигналов на выходе фильтра, В; Gпв(f) – энергетический спектр помехи на выходе фильтра, В2с.

Соотношение (3) найдено с использованием (4) и (5), соотношение (6) найдено с использованием (7) и (8). Для оптимизации порога принятия решений при неизвестных априорных вероятностях появления сигналов использован критерий Пирсона, минимизирующий вероятность пропуска полезных сигналов при заданной допустимой частоте ложных выбросов. Для выбранного критерия оптимальный порог может быть определен с помощью программ или графическим методом по кривым обнаружения в следующем порядке:

  • по известной передаточной функции К(f) оптимального фильтра и известной спектральной плотности мощности помехи фона Gп(f) рассчитывается спектральная плотность мощности помехи на выходе фильтра: Gпв(f) = К2(f)·Gп(f);
  • по (10) рассчитывается (среднеквадратическое значение частоты сигнала «гладкой» помехи fш;
  • задаются (11) допустимым средним временем повторения выбросов случайного процесса фона на выходе фильтра Тлт и по (9) определяют пороговое значение xп;
  • по известным 0, y (для оптических сигналов) или (для радиосигналов) и xп методом численного интегрирования вычисляются интеграл (6) для системы оптической регистрации или (3) для системы радиорегистрации и интеграл (14), тем самым рассчитывают оптимальные значения Pлв = k при Pпр = min, определяющие помехоустойчивость систем на выходе порогового элемента структуры.

В главе дается теоретическое обоснование определения регистрирующей способности систем радио- и оптической регистрации. Основные теоретические соотношения, определяющие регистрирующую способность, приведены в таблице 2.

Таблица 2

Теоретические соотношения к определению регистрирующей способности системы радиорегистрации

Параметр Формула Номер формулы
Вероятность появления импульсных излучений дугового нарушения (наличие признака) (15)
Вероятность превышения порога срабатывания полезным сигналом (16)
Вероятность идентификации пакета (17)
Вероятность регистрации дугового нарушения (18)
Вероятность ложных тревог от коммутационных помех (19)
Вероятность ложных тревог от контактных помех (20)

В таблице 2: T – период тягового тока; - среднеквадратическое отклонение амплитуд импульсных сигналов; tmin – минимальное время от начала полупериода тока, удовлетворяющее условиям появления импульсного пробоя промежутка (см. описание главы 1); d – порог по количеству импульсов в пакете, свыше которого принимается решение о факте дугового нарушения; bmi – число пакетов помех в i-м интервале количества с набором m импульсов; n – количество интервалов по количеству; Nп – общее число пакетов помехи; kmi – число пакетов сигнала в i-м интервале количества с набором m импульсов; Nс – общее число пакетов сигнала; di = 1, 2, …n; tид – пороговое время пауз между соседними импульсами в пакете, по которому идентифицируется пакет; – интенсивность потока контактных помех.

Выражение (15) найдено с помощью модели, определяющей вероятность попадания момента перехода тока через нуль в случайную длительность дугового нарушения, распределенную по закону Релея (установлено экспериментально путем регистрации длительностей дуговых нарушений) и для равномерного распределения случайной фазы нулевого перехода от начала полупериода. Выражение (15) учитывает вероятность отсутствия импульсных радиосигналов при температурных условиях воздействия дуги, изложенных в описании главы 2. Выражение (16) найдено с использованием (3), выражение (17) определяет вероятность регистрации пакета полезного сигнала по установленному порогу d количества импульсов в пакете. Выражение (18) находится с использованием (15), (16), (17), выражение (20) найдено с использованием закона Пуассона и определяет вероятность появления в последовательности анализируемых импульсов, ложных пакетов, состоящих из m 3 импульсов.

В таблице 3 приведены финальные расчетные данные, определяющие регистрирующую способность и помехоустойчивость методов.

Таблица 3

Параметры, определяющие регистрирующую способность систем

Метод Параметр Обозначение Значение*
Радиорегистрации Регистрирующая способность радиосистемы на фоне «гладких» и коммутационных помех 0,56
Вероятность ложной регистрации на фоне контактных помех Pлр 0,0013
Вероятность ложных решений от воздействия коммутационных помех и выбросов «гладкого фона» (см. таблицу 2, выражение (19)) Рлт(d = 2) 0
Вероятность пропуска импульсов полезного сигнала на анализ принадлежности к пакетам Pпр 0,04
Оптический Регистрирующая способность системы на фоне «гладких» помех 0,738 0,875
Вероятность ложной регистрации при заданной частоте ложных тревог (2 срабатывания на 10 км пути) Pлр 3,3·10-6 3,8·10-6


Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

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.