Journal of the Russian Universities. Radioelectronics / Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника
Not a member yet
541 research outputs found
Sort by
Разработка макета распределенной сенсорной системы экологического мониторинга
Get PDFIntroduction. In this article, the basic principles of ecological monitoring were considered, and the possibilities of constructing sensor systems were analysed. It was proposed to use the NB-IoT low-energy telecommunication standard as a basic wireless protocol for ecological system development, which ensures effective communication of network devices. A prototype of the system was constructed, and algorithms for receiving and transmitting signals were simulated.Aim. To construct a prototype of a transceiver based on the NB-IoT standard and perform its simulation. To utilize digital twin in MatLab to create the proposed system.Materials and methods. The prototype was constructed using the Xilinx Zedboard evaluation board and transceiver on AD9361 chip, and the simulation was performed using the MatLab 2010 software package.Results. The results of the simulation in the channel with the additive white Gaussian noise (AWGN) were obtained, and the level of the detected synchronization signals of the NB-IoT standard was determined. The receiver and transmitter of the NB-IoT standard were implemented on the Xilinx Zedboard evaluation board. The timing simulation results show that the designed system can be tested in a real environment. The power consumption and resource utilization of the constructed wireless sensor network prototype unit were determined. Conclusion. The results obtained via the simulation process show that the designed prototype of the communication system works correctly, and the produced signal meets all the requirements of the NB-IoT standard. The results can be used for creating a domestic manufactured, specialized integrated chip for data units of ecological monitoring systems.Введение. Рассмотрены основные принципы осуществления экологического мониторинга; проанализированы возможности построения сенсорных систем для осуществления этой задачи. В качестве протокола беспроводной связи создаваемой системы экомониторинга предложено использование телекоммуникационного стандарта с низким энергопотреблением NB-IoT, обеспечивающего эффективное сетевое взаимодействие устройств сети. Проведено моделирование системы и макетирование алгоритмов приема и передачи сигналов.Цель работы. Построить макет приемопередатчика по стандарту NB-IoT и провести его имитационное моделирование. Использовать маршрут создания системы с формированием ее цифрового двойника в MatLab.Материалы и методы. Прототип построен c использованием отладочной платы Xilinx Zedboard и приемопередатчика на основе микросхемы AD9361, а имитационная модель – при помощи пакета программ MatLab 2010.Результаты. Получены результаты имитационного моделирования в канале с аддитивным белым гауссовским шумом, определена мощность обнаруживаемых сигналов синхронизации стандарта NB-IoT. Приемник и передатчик стандарта NB-IoT реализованы на плате Xilinx Zedboard. Временны́е диаграммы, полученные в ходе тестирования макета, демонстрируют, что разработанная система готова к тестированию в реальной среде. Определены энергетические и ресурсные затраты разработанного макета узла беспроводной сенсорной сети.Заключение. Полученные результаты моделирования показывают, что разработанная модель системы связи функционирует корректно и формируемый сигнал передатчика соответствует требованиям стандарта NB-IoT. Результаты разработки можно использовать для создания отечественной микросхемы узла сбора и передачи данных мониторинга окружающей среды
Когерентный прием неортогональных спектрально-эффективных многочастотных сигналов при использовании алгоритма с обратной связью по решению
Get PDFIntroduction. Spectrally efficient frequency division multiplexing (SEFDM) is a promising technology for improving spectral efficiency. Since SEFDM signals transmitted on subcarriers are not orthogonal, interchannel interference occurs due to the mutual influence of signals transmitted on adjacent subcarriers. Algorithms for receiving SEFDM signals can be distinguished into element-by-element coherent detection and maximum-likelihood sequence estimation (MLSE). The former method, although being simpler, is characterized by a low bit error rate performance. The latter method, although providing for a higher energy efficiency, is more complicated and does not allow high absolute message rates.Aim. To consider a trade-off solution to the problem of coherent detection of SEFDM signals under the condition of significant interchannel interference, namely, the use of an iterative algorithm of element-by-element processing with decision feedback at each subcarrier frequency.Materials and methods. Analytical expressions for the operation of a demodulator solver were derived. A simulation model for transmission of SEFDM signals was built in the MatLab environment, including element-by-element detection with decision feedback.Results. The simulation results confirmed the efficiency of the proposed algorithm. For error probabilities p =102…103, the energy gains reach values from 0.2 to 7.5 dB for different values of the non-orthogonal subcarrier spacing. At the same time, the efficiency of the detection algorithm with decision feedback turns out to be significantly lower than that when using the detection algorithm MLSE.Conclusion. The proposed detection algorithm can be used in future generations of mobile communications, which require high transmission rates. By reducing the computational complexity of the algorithm, it is possible to provide for a lower power consumption of mobile devices.Введение. В настоящее время спектрально-эффективное частотное мультиплексирование (Spectrally efficient frequency division multiplexing – SEFDM) является многообещающей технологией, используемой для повышения спектральной эффективности и скорости передачи информации. Алгоритмы приема SEFDMсигналов можно разделить на 2 класса: поэлементный когерентный прием и прием всей информационной посылки. Первый метод более прост, но обладает низкой помехоустойчивостью. При приеме всей посылки возможно получение высокой энергетической эффективности, но реализация такого приема очень сложна и не позволяет реализовать высокие абсолютные скорости передачи сообщений.Цель работы. Рассмотрение компромиссного решения задачи когерентного приема SEFDM-сигналов в условиях существенной межканальной интерференции, а именно использование на каждой поднесущей частоте итерационного алгоритма поэлементной обработки с обратной связью по решению.Материалы и методы. Описание работы демодулятора решающего устройства выполнено аналитическим методом. Имитационная модель передачи SEFDM-сигналов с использованием в приемнике алгоритма поэлементной обработки с обратной связью по решению построена в среде MatLab.Результаты. Результаты моделирования показали, что предложенный алгоритм является достаточно эффективным. При допустимой вероятности ошибок p =102…103 энергетический выигрыш достигает значений 0.2…7.5 дБ для различного неортогонального разноса поднесущих частот. В то же время эффективность алгоритма обнаружения с обратной связью по решению оказывается существенно ниже, чем при приеме всей информационной посылки.Заключение. Предложенный алгоритм приема может быть использован в будущих поколениях мобильной связи, в которых требуются высокие скорости передачи. Благодаря снижению вычислительной сложности алгоритма возможно обеспечить меньшее энергопотребление мобильных устройств
Методическое обеспечение для применения метода мажоритарного резервирования измерительных каналов
Get PDFIntroduction. For hazardous industries, the reliability of information and measuring equipment must ensure an almost complete absence of failure events, with their probability as low as 10-6. This requirement can be satisfied using various approaches, one of which is reservation. Reservation methods are classified into several types depending on such factors, as the operating mode of an object, failure types, frequency rate, etc. Majority redundancy schemes are rarely used in measuring equipment, particularly in measuring channels, largely because this method was initially aimed at improving the reliability of discrete digital devices. Thus far, no mathematical support for applying the method of majority reservation in measuring channels of analogue values has been developed. This gap determined the relevance of this study.Aim. To develop a methodological support for applying the method of majority reservation with the purpose of improving the level of measurement accuracy.Materials and methods. Both Russian and foreign sources published over the past 40 years on the topic of processing small samples when designing measuring channels for information and measuring systems were reviewed. The nonparametric Mann-Whitney rank test was applied to process small samples. Other research methods included mathematical modelling, as well as the mathematical apparatus of measurement theory andтsystems theory.Results. A measuring module with a redundant structure was simulated. Parametric and nonparametric rank criteria were considered. An algorithm allowing identification of the failure of a channel in a measuring module with a redundant structure was developed. The computational complexity of the developed algorithm is estimated by a polynomial of the second degree.Conclusion. The use of nonparametric rank criteria for processing small samples, as well as diagnostic situations for various combinations of these criteria, supports statistically grounded decision on the state of measuring channels. In the future, this method will be applied for diagnostic control of the serviceability of technological equipment used in fuel combustion, namely in boiler plants and installations for thermal waste destruction.Введение. Для опасных производств уровень надежности оборудования информационно- измерительных систем должен соответствовать требованию, что вероятность отказа является практически невозможным событием, т. е. равна приблизительно 106. Для реализации данного требования существуют различные способы повышения уровня надежности, одним из которых является резервирование. Оно делится на несколько видов в зависимости от влияющих факторов, таких, как режим работы объекта, типы отказов, кратность и т. п. Мажоритарное резервирование в измерительной технике, в частности в измерительных каналах, используется редко, так как данный метод был разработан для повышения надежности в дискретных цифровых устройствах. До настоящего времени соответствующее математическое обеспечение для применения мажоритарного резервирования измерительных каналов аналоговых величин отсутствовало. Вследствие этого возникла необходимость в его разработке.Цель работы. Разработка методического обеспечения для применения метода мажоритарного резервирования, позволяющего повысить достоверность результатов измерений.Материалы и методы. Проанализированы отечественные и зарубежные источники информации за последние 40 лет, связанные с обработкой малых выборок при проектировании измерительных каналов для информационно-измерительных систем. Применен непараметрический ранговый критерий Манна-Уитни для обработки малых выборок, использовалось математическое моделирование, математический аппарат теории измерений и теории систем.Результаты. Реализована модель измерительного модуля с избыточной структурой. Рассмотрены параметрические и непараметрические ранговые критерии. Разработан алгоритм, позволяющий выявитьотказ канала измерительного модуля с избыточной структурой. Вычислительная сложность алгоритма оценивается полиномом второй степени.Заключение. Рассмотренные возможности использования непараметрических ранговых критериев для работы с выборками малого объема, а также диагностические ситуации для различных комбинаций данных критериев позволяют принимать статистически обоснованное решение о состоянии измерительного канала. В перспективе планируется использовать данный метод при диагностическом контроле исправности оборудования технологических процессов, связанных с сжиганием топлива, а именно в котельных установках и установках термического уничтожения отходов
Исследование двухмодового режима работы двухзазорных фотонно-кристаллических резонансных систем, выполненных на печатной платес фрактальными элементами "остров Минковского"
Get PDFIntroduction. The development of new amplifiers and generators of the Ku- and K-bands (12…27 GHz) for use in onboard equipment is increasingly attracting research interest. Low-voltage multi-beam klystrons (LMBK) can be a promising element base for such devices. Serious problems are associated with the need to suppress parasitic modes of oscillations in NMLK operating in the centimeter and millimeter range. A possible solution is to use double-gap photonic-crystal resonators (DPCR) in LMBK. Another promising direction for improving the characteristics of such resonators is to use resonant segments of strip lines with fractal elements. In this case, the strip lines are placed on a dielectric substrate in the interaction space. Such resonators exhibit new properties that are useful for klystrons (an increase in characteristic impedance, suppression of the spectrum of unwanted frequencies, a reduction in mass and dimensions).Aim. Determination of an optimal set of electrodynamic and electronic parameters of double-gap photonic-crystal resonance systems with fractal elements "Minkowski Island" when operated as part of the LMBK resonator system, excited on π- and 2π-modes of oscillation.Materials and methods. To calculate the electrodynamic parameters of resonators, the method of finite differences in the time domain was used. The well-known Wessel-Berg method was used to calculate electronic parameters, such as the Ge / G0 electronic conductivity and the coupling coefficient M.Results. The main electrodynamic parameters of the resonator – Q-factor, resonant frequency and characteristic impedance – were investigated. The electronic parameters of the resonator, the coefficient of coupling with the electron beam, and the relative electronic conductivity for π- and 2π-modes of oscillations were calculated. In this case, three variants of the resonator with zero, first and second iterations of the fractal element were investigated. The amplitude-frequency characteristics of the resonator were investigated with a change in the pitch of the photonic crystal lattice. An estimation of the inhomogeneity of the high-frequency field in the interaction spaces of the resonator was carried out. Operational conditions were determined simultaneously for two types of oscillations without self-excitation.Conclusion. The results can find application in the development of resonator systems for klystron-type devices in the centimeter and millimeter ranges.Введение. В настоящее время проявляется значительный интерес к разработке новых усилителей и генераторов Ku- и K-диапазонов (12…27 ГГц) для применения в бортовой аппаратуре. Одним из претендентов на элементную базу таких устройств могут стать низковольтные многолучевые клистроны (НМЛК). Для НМЛК, работающих в сантиметровом и миллиметровом диапазонах, возникают серьезные проблемы, связанные с необходимостью подавления паразитных видов колебаний. Один из путей решения этих проблем – применение в НМЛК двухзазорных фотонно-кристаллических резонаторов (ДФКР). Еще одно перспективное направление улучшения характеристик таких резонаторов – применение резонансных отрезков полосковых линий c фрактальными элементами. При этом полосковые линии размещаются на диэлектрической подложке в пространстве взаимодействия. Такие резонаторы могут получить также новые, полезные для клистронов свойства (повышение характеристического сопротивления, подавление спектра нежелательных частот, уменьшение массы и габаритов).Цель работы. Определение оптимального комплекса электродинамических и электронных параметров двухзазорных фотонно-кристаллических резонансных систем с фрактальными элементами "остров Минковского" при работе в составе резонаторной системы НМЛК, возбуждаемой на π- и 2π-видах колебаний.Материалы и методы. Для расчета электродинамических параметров резонаторов использовался метод конечных разностей во временной области. Для вычисления электронных параметров, таких, как электронная проводимость Ge / G0 и коэффициент связи M, использовался известный метод Вессель-Берга.Результаты. Исследованы основные электродинамические параметры резонатора – собственная добротность, резонансная частота и характеристическое сопротивление. Рассчитаны электронные параметры резонатора, коэффициент связи с электронным потоком и относительная электронная проводимость на π- и 2π-видах колебаний. Исследованы 3 варианта резонатора с нулевой, первой и второй итерациями фрактального элемента, амплитудно-частотные характеристики резонатора при изменении шага фотонно-кристаллической решетки. Дана оценка степени неоднородности высокочастотного поля в пространствах взаимодействия резонатора. Определены условия работы одновременно на двух видах колебаний без самовозбуждения.Заключение. Результаты могут найти применение при разработке резонаторных систем для приборов клистронного типа сантиметрового и миллиметрового диапазонов
Параметрический синтез радиоустройств с заданным количеством одинаковых каскадов для различных вариантов включения реактивных четырехполюсников между нелинейной частью и нагрузкой
Get PDFIntroduction. The ability to analytically determine some parameters of various radio devices, which are optimal according to the criterion of providing the set values of the modules and phases of transfer functions at the required number of frequencies, significantly reduces the time for numerical optimization of the rest of the parameters according to the criterion of forming the required frequency response and frequency response in the frequency band. Until now, such problems with respect to radio devices have been solved only for one stage of the "nonlinear part – matching device" or "matching device – nonlinear part" type. As a matching device, reactive, resistive, complex, or mixed quad-poles were used.Aim. Development of algorithms for parametric synthesis of radio devices with an arbitrary number of identical cascades of the "nonlinear part – matching reactive quadrupole" type according to the criterion of ensuring the specified frequency characteristics. Non-linear parts are represented as a non-linear element and parallel or serial current or voltage feedback.Materials and methods. Four-pole theory, matrix algebra, decomposition method, method of synthesis of microwave control devices, numerical optimization methods.Results. Systems of algebraic equations are formed and solved. Models of optimal quadrupole conductors are obtained in the form of mathematical expressions for determining the relationships between the elements of their classical transmission matrix and for finding the frequency dependences of the resistances of two-pole conductors.Conclusion. It is shown that the frequency characteristics of the studied radio devices from the same stages are identical or similar to the frequency characteristics of radio devices from the same stage, but with the signal source and load resistances changed in a certain way. Such schemes are called equivalent. A comparative analysis of the theoretical results (frequency response and frequency response of radio devices) obtained by mathematical modeling in the "MathCad" system, and the experimental results obtained by circuit modeling in the "OrCAD" and "MicroCap" systems, shows their satisfactory agreement.Введение. Аналитическое определение части параметров различных радиоустройств, оптимальных по критерию обеспечения заданных значений модулей и фаз передаточных функций на необходимом количестве частот, значительно уменьшает время численной оптимизации оставшихся параметров с целью формирования требуемых амплитудно-частотных характеристик и фазочастотных характеристик в заданной полосе частот. До настоящего времени такие задачи в отношении радиоустройств решались только для одного каскада типа "нелинейная часть – согласующее устройство" или "согласующее устройство – нелинейная часть". В качестве согласующего устройства использовались реактивные, резистивные, комплексные или смешанные четырехполюсники.Цель работы. Разработка алгоритмов параметрического синтеза радиоустройств с произвольным количеством одинаковых каскадов типа "нелинейная часть – согласующий реактивный четырехполюсник" по критерию обеспечения заданных частотных характеристик (ЧХ). Нелинейные части представлены в виде нелинейного элемента и параллельной или последовательной по току или напряжению обратной связи.Материалы и методы. Теория четырехполюсников, матричная алгебра, метод декомпозиции, метод синтеза управляющих устройств СВЧ, численные методы оптимизации.Результаты. В интересах достижения указанной цели сформированы и решены системы алгебраических уравнений. Получены модели оптимальных четырехполюсников в виде математических выражений для определения взаимосвязей между элементами их классической матрицы передачи и для отыскания зависимостей сопротивлений двухполюсников от частоты.Заключение. Показано, что ЧХ исследуемых радиоустройств из одинаковых каскадов идентичны или подобны ЧХ радиоустройств из одного каскада, но с измененными определенным образом сопротивлениями источника сигнала и нагрузки. Такие схемы названы эквивалентными. Сравнительный анализ теоретических результатов (ЧХ), полученных математическим моделированием в среде MathCad, и экспериментальных результатов, полученных схемотехническим моделированием в системах OrCad и MicroCap, показывает их удовлетворительное совпадение
Характеристики точности параметрического метода Берга при пространственной обработке сигналов в линейной неэквидистантной антенной решетке
Get PDFIntroduction. In the case of a nonuniform (NU) design of the antenna elements (AEs) of the receiving antenna array (AA), the antenna pattern (AP) features sidelobes (SL) with a significantly higher noise level than acceptable values. Under low signal-to-noise ratios (SNR), this noise leads to angular coordinate measuring errors thus worsening the statistical accuracy characteristics (ACs) of the signal. It is of relevance to construct the ACs of angular coordinates when a modified parametric Burg method (BM) is applied to spatial reflected signal processing in a transportable decametre range radar (DRR) with a nonuniform array (NUA) and linear accuracy characteristics. Aim. To analyse the statistical ACs of angular coordinate objects when using a modified BM for spatial reflected signal processing in a DRR with a linear NUA, in which AEs are located with a random step in the range from λ/2 to several λ, where λ is the operating carrier wavelength.Materials and methods. Statistical ACs were constructed by computer modelling in the MatLab software, the reliability of which was confirmed by conventional discrete Fourier transform methods, as well as by comparing the obtained ACs with asymptotic bounds, including Cramer-Rao bounds.Results. The possibility and conditions of using a modified parametric BM for estimating the azimuthal coordinates of reflected radar signals were determined for the case of a nonuniform design of the over-the-horizon DRR receiving AA AEs. Statistical ACs were obtained and compared with the asymptotically optimal ACs of the maximum likelihood estimations corresponding to the uniform AE design.Conclusion. The obtained results confirm the suboptimality of the BM modified for signal processing in the NUA at a random AE spacing step in the range from λ/2 to 2λ, making it applicable for use in transportable DRRs.Введение. При неэквидистантном (НЭ) расположении антенных элементов (АЭ) приемной антенной решетки (АР) в диаграмме направленности (ДН) возникают боковые лепестки (БЛ), уровень которых может существенно превышать приемлемый для практики. При невысоких отношениях сигнал/шум (ОСШ) это приводит к появлению аномальных ошибок при измерении угловых координат источников сигналов, что ухудшает статистические характеристики точности (ХТ) оценивания их угловых параметров. Является актуальным построение ХТ оценивания угловых координат модифицированного параметрического метода Берга (МБ) в приложении к задаче пространственной обработки отраженных сигналов в транспортируемой декаметровой (ДКМ) радиолокационной станции (РЛС) с неэквидистантной антенной решеткой (НЭАР) при расположении АЭ на прямой линии.Цель работы. Анализ статистических ХТ оценивания угловых координат объектов при использовании модифицированного МБ для пространственной обработки отраженных сигналов в декаметровой РЛС с линейной НЭАР, АЭ которой расположены со случайным шагом в пределах от λ/2 до нескольких λ, где λ – рабочая длина волны несущего колебания.Материалы и методы. При построении статистических ХТ использовалось компьютерное моделирование в среде MatLab, достоверность которого подтверждалась построением известных ХТ класси ческих методов на основе дискретного преобразования Фурье, а также сопоставлением полученных ХТ с асимптотическими границами, в том числе границами Крамера-Рао.Результаты. Показана возможность и определены условия применения модифицированного параметрического МБ в задаче оценивания азимутальных координат отраженных радиолокационных сигналов при НЭ расположении АЭ приемной АР загоризонтной ДКМ РЛС. Получены статистические ХТ и проведено их сравнение с асимптотически оптимальными ХТ максимально правдоподобных оценок, соответствующих эквидистантному расположению АЭ.Заключение. Полученные результаты доказали субоптимальность модифицированного МБ для обработки сигналов в НЭАР при случайном шаге расположения АЭ в пределах от λ/2 до 2λ, что позволяет рекомендовать его для применения в транспортируемых ДКМ РЛС
Системы анализа биомедицинских данных для диагностики злокачественных новообразований кожи
Get PDFIntroduction. The effectiveness of the diagnosis of malignant neoplasms of the skin remains unsatisfactory due to the complex process of interpretation of clinical features. On the other hand, in the last two decades, noninvasive optical diagnostic methods have been actively developed, for example, digital dermatoscopy for visualization of surface neoplasms and Optical Coherence Tomography (OCT) for obtaining spatial scans. Recent advances in the study of non-invasive diagnostic tools makes this area very promising for research in a clinical condition. Aim. Developing of software modules based on the mathematical framework of texture analysis for biomedical data systems designed for the diagnosis of skin malignant neoplasms. Materials and methods. Algorithms of software modules developed for optical systems of our own design are presented. Algorithms for a dermatoscopic module are based on the Haar transform, Local Binary Patterns and color features. Algorithms for OCT are based on the texture features of Haralick, Tamura, fractal dimension, complex directional field and Markov random field. Studies were conducted on sets of 106 dermatoscopic and 1008 OCT images of various classes of pathologies, including melanoma and Basal Cell Carcinoma (BCC). Results. The values of sensitivity and specificity for the dermatoscopic system and OCT were experimentally obtained. Conclusion. The sensitivity of the dermatoscopic system is 90 % versus 93 % for other authors, as well as the specificity is 86 % versus 80 %. One of the factors of the increase can be considered the introduction of a personalized mode - the addition of comparative features evaluating a difference between a tumor and a normal tissue in the software analysis module. The improved accuracy of OCT is up to 97 % for the diagnosis of melanoma and up to 96 % for the diagnosis of BCC.Введение. Эффективность диагностики злокачественных новообразований кожи остается неудовлетворительной ввиду сложного процесса интерпретации клинических признаков. С другой стороны, в последние два десятилетия активно развиваются неинвазивные оптические методы диагностики, например цифровая дерматоскопия для визуализации поверхностных новообразований и оптическая когерентная томография (ОКТ) для получения пространственных срезов. Последние успехи в области исследований неинвазивных средств диагностики делают данную область весьма перспективной для исследований в клинических условиях. Цель работы. Создание программных модулей на основе математического аппарата текстурного анализа для биомедицинских систем, предназначенных для диагностики злокачественных новообразований кожи. Материалы и методы. Представлены алгоритмы программных модулей, созданных для оптических установок собственной разработки. Программные модули для дерматоскопического модуля выполнены на основе преобразования Хаара, локальных бинарных шаблонов и цветовых признаков, а для ОКТ - на базе признаков Харалика, Тамура, фрактальной размерности, комплексного поля направлений и марковских случайных полей. Проведены исследования на наборах из 106 дерматоскопических и 1008 ОКТ-изображений, содержащих различные классы патологий, включая меланому и базально-клеточную карциному (БКК). Результаты. Экспериментально получены значения чувствительности и специфичности для дерматоскопической системы и ОКТ. Заключение. Чувствительность дерматоскопической системы с разработанными алгоритмами составила 90 против 93 % по известным источникам, специфичность - 86 против 80 %. Одним из факторов увеличения можно считать введение персонифицированного режима – добавление сравнительных признаков, оценивающих различия между опухолью и нормальной тканью, в программный модуль анализа. При диагностике меланомы точность ОКТ повышена до 97 %, а при диагностике БКК – до 96 %
Определение скорости движения и дальности быстродвижущихся объектов в РЛС с непрерывным линейно-частотно-модулированным излучением с использованием автокорреляционной схемы
Get PDFIntroduction. A hardware basis of modern Advanced Driver Assistance Systems (ADAS) consists of millimeterrange radars, characterized by a relatively short range (meters – tens of meters). At the same time, improving of traffic safety requires to increase the range at least to several hundred meters. The one way to achieve such values is to increase wavelength of a probing signal, to use the centimeter range of wavelengths, for example. The paper represents a detailed description of main steps of signal processing algorithm in the model of the ADAS low-power centimeter range radar, which provides fast-moving objects speed and range definition.Aim. Development of an algorithm for estimating the range and the speed of targets by an autocorrelation radar with a wide-band continuous linear frequency modulation (linear FM) signal in order to increase the rate of the ADAS system estimates formation.Materials and methods. The proposed algorithm is based on the methods of primary and secondary digital processing of radar signals. The model of a centimeter-range autocorrelation radar with a broadband continuous linear FM probing signal was used for practical researches. MATLAB software was used to process the received signal samples.Results. The algorithm has been developed to determine the speed and the range of fast-moving objects in conditions when their movement during the evaluation interval significantly exceeds the radar range resolution. The use of simplified Kalman filtering for inter-period secondary signal processing allowed to increase significantly the stability of the algorithm. In a full-scale experiment using the low-power radar model with continuous radiation of the centimeter range, it was shown that a stable assessment of a real car speed and range was provided at a distance of at least about one kilometer.Conclusion. The results of the field experiment make it possible to draw conclusions that the proposed algorithm is highly robust even in the absence of inter-period secondary processing. Its usage allows one to improve the stability of the algorithm without considerable additional computational costs. It is possible because near-linear dynamics of the observation object and of the radar carrier makes it sufficient to use a simplified implementation of Kalman filter in the form α-β-algorithm.Введение. Аппаратную основу современных систем помощи водителю (ADAS) обычно составляют радиолокационные станции миллиметрового диапазона, характеризующиеся относительно небольшой дальностью действия (единицы-десятки метров). В то же время повышение безопасности движения требует ее увеличения как минимум до нескольких сотен, и одним из путей достижения таких значений является увеличение длины волны зондирующего сигнала, например, переход в сантиметровый диапазон длин волн. В работе приведено подробное описание основных этапов работы алгоритма обработки сигнала в макете маломощной РЛС системы ADAS сантиметрового диапазона, обеспечивающего определение скорости движения и дальности быстродвижущихся объектов.Цель работы. Разработка алгоритма оценки дальности и скорости движения целей в РЛС с широкополосным непрерывным линейно-частотно-модулированным (ЛЧМ) сигналом на базе автокорреляционной схемы в интересах повышения скорости формирования оценок для системы ADAS.Материалы и методы. Предлагаемый алгоритм базируется на методах первичной и вторичной цифровой обработки радиолокационных сигналов. Для проведения практических исследований использовался макет РЛС сантиметрового диапазона, собранной по автокорреляционной схеме, с широкополосным непрерывным ЛЧМ зондирующим сигналом. Для обработки зарегистрированной выборки отсчетов принятого сигнала применялась среда MatLab.Результаты. Разработан алгоритм, обеспечивающий определение скорости и дальности быстродвижущихся объектов в условиях, когда их перемещение за интервал оценивания существенно превышает разрешение РЛС по дальности. Использование упрощенной калмановской фильтрации для межпериодной вторичной обработки сигнала позволило существенно повысить устойчивость работы алгоритма. В ходе натурного эксперимента с использованием макета маломощной РЛС с непрерывным излучением сантиметрового диапазона показано, что устойчивая оценка скорости движения и дальности реального автомобиля обеспечивается на расстоянии как минимум порядка одного километра.Заключение. Результаты проведенного натурного эксперимента позволили сделать вывод о высокой робастности предложенного алгоритма даже при отсутствии межпериодной вторичной обработки. Ее использование позволяет еще больше повысить устойчивость работы алгоритма при практически полном отсутствии дополнительных вычислительных затрат, так как близкий к линейному характер динамики объекта наблюдения и автомобиля-носителя РЛС позволяет полагать достаточным использование упрощенной реализации фильтра Калмана в форме α-β-алгоритма
Магнитометрия, акустические и инерциальные технологии локального позиционирования в здравоохранении
Get PDFIntroduction. The problem of localization of moving objects inside buildings becomes more urgent in healthcare. Tracking the movements of patients in real time allows one to provide them with timely medical support in case of sharp deterioration in their vital signs. It is especially important to track the location of patients undergoing a surgery, since the risk of death due to postoperative complications for them is extremely high. Using indoor-positioning technologies in telemedicine systems can solve the problem, thereby reducing the mortality rate of patients and improving the quality of medical care.Aim. To study the applicability of magnetometry, inertial and acoustic technologies for patient’s localization in a hospital.Materials and methods. The analysis of domestic and foreign scientific sources devoted to indoor-positioning based on the above technologies was carried out. Material published not earlier than 2016, was chosen for the analysis. Most of the papers were published in journals with impact-factor not lower than 3.Results. After analyzing the information received, it was concluded that none of the technologies can be used independently. Inertial sensors possess high accuracy, but over time, the measurement error increases. There-fore, the sensors need to regular correction. Indoor-positioning based on geomagnetism is hampered by interference that can be induced by the operation of magnetic resonance imaging scanners and X-ray equipment, which are usually used in medical facilities. Active magnetometry does not allow to keep track of moving objects due to specific of hardware used. Ultrasound-based positioning can be complicated by ultrasonography apparatuses interference. Using an audible sound creates noise pollution and exerts a negative impact on patient’s health. Also, acoustic technologies are unable to provide a secure communication channel for data exchange.Conclusion. It is recommended to combine the reviewed positioning technologies with other technologies in order to correct the indicated disadvantages.Введение. Определение местоположения подвижных объектов в закрытых помещениях обретает все большую актуальность в сфере здравоохранения. Слежение за перемещениями пациентов в режиме реального времени позволяет оказывать им своевременную медицинскую помощь при резком ухудшении жизненных показателей. Особенно важно отслеживать местоположение пациентов, перенесших хирургические вмешательства, так как риск наступления смерти вследствие возникновения послеоперационных осложнений для них крайне высок. Применение технологий локального позиционирования в составе телемедицинских систем позволяет решить указанную проблему, тем самым снизив уровень смертности пациентов и повысив качество медицинского обслуживания.Цель работы. Изучение применимости магнитометрии, инерциальных и акустических технологий для локализации пациента в здании клиники.Материалы и методы. Проведен анализ отечественных и зарубежных научных источников, посвященных локальному позиционированию на базе перечисленных технологий. Включенные в обзор работы опубликованы не ранее 2016 г. Большинство из них представлено в журналах с impact-фактором не ниже 3.Результаты. В результате анализа сделан вывод о том, что ни одна из рассмотренных технологий не может использоваться самостоятельно. Инерциальные датчики обладают высокой точностью, но со временем погрешность измерений возрастает, поэтому они нуждаются в постоянной корректировке. Позиционирование на базе геомагнитного поля затрудняется помехами, вызываемыми работой аппаратов магнитно-резонансной томографии и рентгеновскими установками, повсеместно использующимися в медицинских учреждениях. Активная магнитометрия также имеет ряд недостатков, затрудняющих локальное позиционирование. Позиционирование на базе ультразвука может осложняться помехами, возникающими в результате работы аппаратов УЗИ. Использование слышимого звука создает шумовое загрязнение и негативно влияет на здоровье пациентов. Помимо этого акустические технологии не способны обеспечить безопасный канал связи для обмена данными.Заключение. Рекомендовано комбинировать рассмотренные технологии позиционирования с другими технологиями в целях устранения обозначенных недостатков
Метод определения кривизны морских волн с использованием волномерных буев традиционной формы
Get PDFIntroduction. Modern wave buoys due to their design make it possible to determine a directional wave spectrum using five coefficients of the Fourier series. However, up to nine members of the series can be determined from wave surface measurements. To determine the missing four members, information about wave curvature is necessary. It cannot be obtained by direct measurements with wave buoys of a conventional shape - a sphere, a cylinder or a saucer. The lack of information about the curvature of waves when determining the directional spectrum leads to its low resolution and to the presence of negative regions.Aim. To develop a method for determining the curvature of waves from measurements with conventional shape wave buoys.Materials and methods. Theoretical substantiations of the proposed method were presented, as well as mathematical modeling of irregular wave processes in a wide range of wave intensities and an experimental study of three wave spectra with a threefold repetition of each of them.Results. Numerical simulations demonstrated a good agreement between the calculated curvature and the set values. The variance deviation was less than 1%. The experimental study demonstrated a greater deviation in variance - up to 9%, which can be explained by the influence of an instrumental error and by an unaccounted influence of reflected waves.Conclusion. On the basis of the study, the method for determining the curvature of waves by numerical differentiation of wave slope measurements using information on a wave propagation speed has been developed. The method was supplemented by correcting amplitude values according to the criterion of matching the spectral characteristics of wave processes. Additional studies of the developed method are required to determine the influence of wave factors such as wave steepness, spectrum width, random multidirectional waves, etc. on the calculated curvature and on the directional spectrum.Введение. В настоящее время волномерные буи (ВБ) повсеместно применяются для измерения статистических и спектральных параметров волн. Современные методы определения пространственного спектра волн используют их представление рядом Фурье, коэффициенты которого определяются по измерениям волновых процессов. Конструктивное исполнение современных ВБ позволяет измерять ординаты волн и углы волнового склона, чего достаточно для определения пяти членов ряда Фурье. Однако по измерениям волновой поверхности можно определить до девяти членов ряда. Для определения недостающих четырех членов необходима информация о кривизне волн. Отсутствие этой информации приводит к низкой разрешающей способности метода и к наличию в спектре отрицательных областей.Цель работы. Разработка метода определения кривизны волн по измерениям ординат волн и углов волнового склона ВБ традиционной формы.Методы и материалы. Приведены теоретические обоснования предложенного метода, представлено математическое моделирование нерегулярных волновых процессов в широком диапазоне интенсивности волн и экспериментальное исследование трех спектров волнения с троекратным повтором каждого из них.Результаты. Разработан метод определения кривизны волн по измерениям ВБ традиционной формы посредством численного дифференцирования результатов измерений углов волнового склона с использованием информации о скорости распространения волн. Метод дополнен корректировкой амплитудных значений по критерию соответствия спектральных характеристик волновых процессов. Моделирование показало хорошее совпадение расчетной кривизны с заданными значениями. Отклонение по дисперсии составило менее 1 %. Экспериментальное исследование показало большее отклонение по дисперсии – до 9 %, что можно объяснить инструментальной погрешностью и неучтенным влиянием отраженных волн.Заключение. Отличительной особенностью метода является использование измерений ординат волн и углов волнового склона, выполненных ВБ традиционной формы без дополнительных конструктивных элементов. Необходимы дополнительные исследования метода для определения влияния других факторов волнения (крутизны волн, ширины спектра, трехмерной структуры волны и т. д.) на результаты определения кривизны и пространственного спектра