Распознавание состояний излучающей области в реальном времени

При исследовании волновых процессов желательно иметь возможность управления экспериментальной установкой и объектом исследования непосредственно в ходе эксперимента, в особенности при изучении динамики этих процессов. Обратная связь по управлению экспериментом (рис. 1) позволяет в зависимости от поведения исследуемого объекта поддерживать такие режимы, при которых его особенности выделяются наиболее четко. Для осуществления управления экспериментом прежде всего необходимо, чтобы темп обработки информации превышал темп ее поступления с датчиков (т.е. обработка должна идти в реальном времени). Основная трудность при работе в реальном времени заключается в обеспечении достаточного быстродействия средств регистрации и обработки волновых процессов, при котором время реакции всей цепочки измерение - обработка - управление было бы достаточно мало. Этого можно достичь распараллеливанием процессов сбора и обработки информации и использованием простых (с вычислительной точки зрения), но вместе с тем эффективных алгоритмов анализа.

На базе этих принципов создана автоматизированная система на основе ЭВМ СМ-4 и УСО (устройство сопряжения с объектом) в международном стандарте КАМАК.

”^ обратная связь по управлению односторонняя передача информации двусторонняя передача информации

Рис. 1. Структура автоматизированной системы

В состав ЭВМ входят: процессор СМ 2104 (16 разрядов, длительность операции регистр-регистр 1,2 мкс), оперативное запоминающее устройство ОЗУ (256 Кбайт), 2 накопителя на магнитных дисках НМД (общей емкостью 10 Мбайт), 4 дисплея СМ 7200, 3 графических микропроцессорных принтера Д100, алфавитно-цифровое печатающее устройство с клавиатурой (АЦПУ) СМ 7103, устройство ввода-вывода перфоленты.

С помощью дисплея и принтеров обеспечивается многопользовательский режим работы. СМ 7103 используется для фиксации процесса диалога исследователя с ЭВМ, что дает возможность его последующего анализа и служит в качестве паспорта эксперимента.

В состав функциональных модулей КАМАК включены следующие; контроллер крейта 106а (общее управление модулями); вспомогательный микропроцессор 181А (память 20К RAM, 12 Кбайтов EPROM); два 10-разрядных цифро-аналоговых преобразователя в одном модуле 2ЦАП-10; преобразователь напряжения 058А (248/12В); регистр управления реле РУР-1Р; 5 полупроводниковых оперативных запоминающих устройств 203 (4 Кбайта 24-разрядных слов); 3 постоянных запоминающих устройства 222 (32 Кбайта 24-разрядных слов); таймер реального времени 733 (единица отсчета -1 мс) ; генератор тактовых импульсов 730В (частота от 1 МГц до 1 Гц с декадным делением); 4 аналого-цифровых преобразователя 712 (10 разрядов, время преобразования 25 мкс); блок четырех фильтров (ширина полос пропускания 10 кГц); пере-счетчик время/импульс 1403; индикатор магистрали 081.

Через модули 2ЦАП-Ю и РУР-1Р подключен графопостроитель Н306.

В состав сервисных модулей входят; ручной контроллер 140 (пошаговое, единичное и цикловое выполнение операций); индикатор магистрали 081; генератор тактовых импульсов 730В; генератор - регистр слова 232а (24-разрядное слово); удлинитель 061. Эти модули позволяют проводить контроль и наладку функциональных модулей.

Данный вариант комплекса является основным, так как он обеспечивает решение очень широкого круга я ад ач. При необходимости комплекс может быть легко расширен для решения каких-либо специфических задач. Например, могут быть добавлены полупроводниковые мультиплексоры 752 (по 32 канала) для увеличения числа входных каналов, интерфейс цветного телевизора 560 для расширения возможностей графики и др.

Система содержит ряд функциональных подсистем: моделирование волновых процессов, планирование эксперимента, прием и регистрацию сигналов с датчиков, формирование диагностических признаков, обработку измерительных данных, выработку управляющих воздействий, контроль и тестирование. Каждая подсистема содержит соответствующие аппаратные и программные средства.

Программное обеспечение автоматизированной системы построено на базе операционной системы реального времени ОС РВ, имеющей широкие функциональные возможности: объем оперативного запоминающего устройства до 2048 Кбайт слов, количество поддерживаемых терминалов до 20, встроенная защита файлов, организация резидентных библиотек, диагностика программных и аппаратных средств, системы управления базами данных.

Прикладные программы входят в единый программный комплекс с общими информационно-логическими связями. Комплекс реализует сетевую модель процессов обработки и разработан по оригинальной методике.

Автоматизированная система имеет следующие характеристики:

• -    количество входных каналов до 102;

• -    максимальная частота дискретизации входного сигнала до 170 кГц)*

• -    динамический диапазон 60 дБ;

• -    полоса частот входного сигнала (при использовании видеомагнитофона в качестве промежуточного носителя) до 1,7 МГц;

• -    количество одновременно обрабатываемых наборов данных до 10;

• -    тип данных - байтовые, целые, вещественные;

• -    использование данных многократное при однократном вводе;

• -    операции корректировки данных - сдвиг, перестановка, обнуление, замена на заданное значение по интервалу или диапазону;

• -    оценка наборов данных - по минимальному, среднему, максимальному значению, интерактивный режим взаимодействия пользователя с ЭВМ, основной набор процедур обработки - нормализация, интегрирование, сглаживание, амплитудный, спектральный, кепстральный анализы, распознавание образов;

• -    отображение данных и результатов в целом и по частям;

• -    масштабирование (равномерное, логарифмическое) осей координат, повороты графиков, совмещение, сопоставление и маркировка кривых, построение сечений трехмерных изображений, нанесение обозначений, надписей и т.д.

Одна из решаемых задач по анализу волновых процессов имеет следующую постановку. В некоторой области упругой среды, размеры которой малы по сравнению с расстоянием до приемника, находятся источники волн, имеющие различающиеся параметры. Расположенный на поверхности среды приемник в виде пьезодатчика воспринимает результирующую волну и преобразует ее в электрический сигнал. Известны количество источников и спектры излучения каждого источника. Требуется по результирующему излучению определить долю (Р±, i = ТТН, ЕР. = 1) каждого источника, распознать одно из возможных ш состояний излучающей области и рассчитать управ-

для упругой среды).

Выберем п частот f.,

j = ТТН таким образом, чтобы наборы амплитуд спектров

источников на этих частотах ни для каких двух источников не совпадали полностью

(частичное совпадение разрешается) и были линейно независимы. Эти амплитуды используем в качестве первичных диагностических признаков и обозначим W?^

(i - номер источника, j - номер частотной компоненты спектра) (рис. 2). Вслед

ствие затухания при распространении в среде

W^* = wP1 • e~ar, где W^^ - амплитуда частотной компоненты вблизи приемника; W^^ - амплитуда частотной компоненты вблизи источника; а - коэффициент затухания; г - расстоя

ние между источником и приемником.

Рис. 2. Первичные диагностические

Согласно принципу суперпозиции принимаемая волна является линейной комби

нацией составляющих волн:

п        ...

2 ad WU\

1=1 1 1

признаки

где Wp-r

регистрируемая

приемником

амплитуда частотной компоненты резуль

тирующей волны; а^ - коэффициенты, отражающие интенсивность каждого источника.

Чтобы избавиться от мультипликатив

ной помехи, связанной с затуханием,

нормализуем амплитуды, разделив их на

суммарное значение:

Поскольку наборы М_± = (W^, j = ITn) линейно независимы, можно рассматривать их как базисные векторы линейного пространства Rⁿ, a W_HQpM = ^_Нор_М'j⁼^7n} как некоторый вектор в этом пространстве. Тогда а,^ можно определить как проекции вектора на оси координат (рис. 3) . Зная а^, легко определить доли вклада источников Р. (вторичные диагностические признаки):

Распределение Р. характеризует состояние области излучения. Пространство возможных значений Pi с помощью одного из методов распознавания образов (полилинейных решающих правил) разбивается разделяющими гиперплоскостями на ш под пространств (рис. 4). С течением времени состояние источников меняется и, соот-

Рис. 3. Определение ^ в двумерном случае

Рис. 4. Разбиение пространства вторичных диагностических приз* наков в трехмерном случае

ветственно, меняются Р^. Их значения образуют некоторую траекторию, пересечение которой разделяющих гиперплоскостей означает смену состояний области излучения. В этот момент осуществляется выработка управляющих воздействий Ui и ua.

Прием колебаний (рис. 5) осуществляется пьезодатчиком, преобразующим их в электрические, затем они усиливаются предусилителем и поступают на вход блока частотных фильтров, находящихся в КАМАК. Частотные фильтры из широкополосного (до 1 МГц) сигнала выделяют узкополосные компоненты W^\ На основе этих пер-per вичных признаков микропроцессор КАМАК рассчитывает вторичные признаки Р. и по ним определяет К (К = 1 ,т) - номер состояния излучающей области. Значение К передается в СМ-4, которая рассчитывает управляющие воздействия.

Автоматизированная система используется при анализе телах.

упругих волн в твердых

Рис. 5. Схема приема и обработки волновых процессов (1 — излучающая область, 2 - пьезодатчик, 3 - предусилитель, ЧФ * частотные фильтры)