особенности измерения интенсивности импульсных ПЭМИ

В.Ф.Клюев, В.И.Кривошеев, В.А.Односевцев

Нижегородский госуниверситет

Существующие методики измерений уровня побочных электромагнитных излучений (ПЭМИ) разработаны, как правило, для оценки мощности ПЭМИ непрерывного типа и не учитывают характера переходных процессов, возникающих при воздействии излучений импульсного типа. Учет этих эффектов, а также особенностей распространения электромагнитных импульсов, как будет показано ниже, требует введения существенных поправок к результатам измерений.

Предположим, что видеоимпульсы ПЭМИ вблизи источника (в ближней зоне) характеризуются формой

(1)

и спектральной плотностью

, (2)

где ₁,₂ – длительности переднего и заднего фронтов соответственно, причем обычно ₁₂ [2].

Используя известные результаты [1], легко показать, что в волновой зоне, начинающейся с расстояний rc₁, где c – скорость света в вакууме, форма импульсов определяется зависимостью:

(3)

Одновременно с трансформацией формы импульса при переходе в волновую зону изменяется и спектральная плотность:

. (4)

Сравнение спектров (2), (4) показывает, что при переходе в волновую зону происходит подъем спектральных составляющих на частотах (₁₂)^-0.5 и, соответственно, резкий спад при (₁₂)^-0.5.

Амплитудное распределение импульсных ПЭМИ исследуется с использованием узкополосного радиоприемного устройства (РПУ) гетеродинного типа в пиковом режиме детектирования. Отклик преселектора РПУ на импульсное воздействие вида (3) представляет радиоимпульс, определяемый с точностью до размерного сомножителя соотношением

(5)

где ₀ – рабочая частота РПУ, f – ширина полосы пропускания преселектора, =₁ и учтено, что ₁₂.

Если номинальная частота F усилителя промежуточной частоты (УПЧ) такова, что выполнено условие F<f, то можно убедиться в том, что амплитуда отклика на выходе УПЧ, выделяемая пиковым детектором, зависит от фазы гетеродинного напряжения, отсчитываемой относительно фазы квазигармонических компонент в (5). Так, при изменении фазы гетеродинного напряжения на величину  амплитуда отклика изменяется в f/F раз при выполнении условий ₀<<1 или ₀>>1.

Таким образом, для точного измерения уровня импульсных ПЭМИ результаты необходимо корректировать с учетом временных параметров ПЭМИ и технических характеристик РПУ.

1. 
   Хармут Х. Теория секвентного анализа. –М.: Мир, 1980, 574с.
   
2. 
   Кравченко В.И., Болотов Е.А., Летунова Н.И. Радиоэлектронные средства и мощные электромагнитные помехи. –М.: Радио и связь, 1987, 256с.
   

ВыБОР ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ СИСТЕМЫ, ИСПОЛЬЗУЮЩЕЙ мЕТОД СВЗ

М.В.Мартынюк

Нижегородский госуниверситет

Рис.1

В настоящее время существует акустическая система измерения уровня жидкости (“СЛОЙ”) [1], использующая метод СВЗ (спектрометрия временных задержек) [2]. Суть метода заключается в оценке мгновенной разности частот f (рис.1) опорного и прошедшего через приёмо-передающий тракт частотно модулированного сигналов. Для зондирования жидкости система “СЛОЙ” использует ультразвуковой ЛЧМ-сигнал.

Было сделано предположение, в дальнейшем подтверждённое экспериментально, о том, что параметры зондирующего сигнала влияют на точность измерений, и существует набор параметров, обеспечивающий минимальную ошибку измерений. Основные параметры ЛЧМ-сигнала: f₀ – начальная частота, k – скорость изменения частоты, T_s – длительность свипа, а также F=kT_s (девиация частоты). Величина f зависит от задержки распространения  (рис.1). Увеличение F повышает разрешающую способность метода, т.е. той же  соответствует большее значение f и больший номер частотного канала в преобразовании Фурье. Для системы с идеальным приёмо-передающим трактом увеличение F ограничивалось бы только аппаратными возможностями генератора зондирующего сигнала и устройства обработки.

Рис.2

Однако реальный приёмо-передаю­щий тракт имеет неравномерный частотный коэффициент передачи (ЧКП) (рис.2). Т.к. в системе используется метод сверхразрешения (метод УДК – узкополосной деконволюции [3]), чувствительный к шумам, использование частотных областей тракта, имеющих низкий коэффициент передачи, приведёт к снижению точности измерений из-за уменьшения соотношения сигнал-шум.

Рис.3

Была выполнена серия экспериментов для различных значений F. Начальная частота f₀ выбиралась таким образом, чтобы энергия зондирующего сигнала после воздействия на него частотного коэффициента передачи тракта была максимальна (рис. 2). Система измеряла дистанцию до неподвижной поверхности в небольшом бассейне. В качестве критерия точности измерений использовалось стандартное отклонение показаний системы.

Результаты экспериментов приведены на рис.3 (по оси ординат – стандартное отклонение показаний системы в микронах). Результаты подтверждают предположение о существовании оптимальных параметров ЛЧМ-сигнала.

Далее была проведена серия аналогичных экспериментов для приёмо-передающих трактов с различными частотными коэффициентами передачи. Полученные результаты показали, что форма кривой, представленной на рис.3, определяется главным образом ЧКП акустического тракта (т.е. акустическим приёмником и излучателем). Важно отметить, что оптимальные параметры зондирующего ЛЧМ-сигнала должны быть найдены отдельно для каждой пары приёмник-излучатель.

В дальнейшем работы будут направлены на разработку метода получения оптимальных значений f₀ и F только на основании частотного коэффициента передачи тракта.

1. 
   Мартынюк М.В. //В кн.: Тр. 6-й Научн. конф. по радиофизике. 7 мая 2002 г. /Ред. А.В.Якимов. –Н.Новгород: ТАЛАМ, 2002, с.176.
   
2. 
   Greiner R., Wania J., Noejovich G. //J. Audio Eng. Soc. 1989 V.37. P.593-602.
   
3. 
   Князева Н.И., Буренков С.В., Наумов С.С. //Измерительная техника. 1993. №5. С.55.
   

Измерение нефтяных эмульсий на водной поверхности радиометрическим поляризационным методом

А.С.Пелюшенко

Нижегородский госуниверситет

В течение последних 20 лет одним из основных научных направлений работы НИРФИ является развитие радиометрических методов дистанционного зондирования подстилающих покровов. В 2002 году был сертифицирован и сдан в опытную эксплуатацию портативный трехчастотный сенсор для измерения параметров свежих разливов нефти на водной поверхности [1]. Как показывают исследования [2], в случае нефтяного разлива через несколько часов нефть реагирует с водой и образует водно-нефтяную эмульсию. Согласно [3], диэлектрическая проницаемость смеси вода-нефть в зависимости от доли воды определяется как:

(_M-1)/(_M+2)=(_O-1)(1-W)/(_O+2)+ (_W-1)W/(_W+2), (1)

Рис.1
где _M – диэлектрическая проницаемость смеси, _O – диэлектрическая проницаемость нефти (_O=2+j0,01), _W – диэлектрическая проницаемость воды (_W=20+j30 для длины волны 8 мм при температуре T=20С). W – относительная объемная концентрация воды (100%=1). На рис.1 приведены результаты расчетов и измерений комплексной диэлектрической проницаемости водно-нефтяной эмульсии для длины волны 8мм и T=20C относительно объемной концентрации воды в смеси. При измерении толщины тонких водно-нефтяных эмульсий на поверхности воды радиометрическим поляризационным методом [1] также наблюдается эффект, обнаруженный в [3], когда изменения диэлектрической проницаемости смеси вода-нефть от относительного содержания водной компоненты приводят к уменьшению измеренной толщины. При этом изменения диэлектрической проницаемости эмульсии вода-нефть таковы, что для тонких пленок измеренная толщина эмульсии оказывается с хорошей точностью равна толщине пленки чистой нефти Dэкв=(1-W)*Dсмесь. Результаты расчетов для угла наблюдения =55⁰ от надира, показаны на рис.2.

Рис. 2
Iv/Ih – отношения излучательной способности водной поверхности, покрытой слоем нефти или эмульсии, на вертикалбной и горизонтальной поляризациях. K – коэффициент пересчета толщины пленки эмульсии в эквивалентную толщину пленки нефти (Dэкв=K*Dсмесь). Значения толщин приведены рядом с маркерами на графике. Расчеты проведены для длины волны 8мм, T=20C, морской воды с _W=20+j30, диэлектрическая проницаемость нефти _O=2+j0,01. Как видно из рис.2, наблюдается хорошее соответствие K и W для эмульсий с объемной концентрации воды до 50% при толщине до 1мм. Таким образом, при дистанционном зондировании тонких нефтяных эмульсий на водной поверхности радиометрическим поляризационным методом [1] можно измерить толщину слоя нефти, содержащейся в эмульсии.

1. 
   Pelyushenko S.A. //Spill Sci &Techn.; Bull. 1995. V.2, №4. P.249.
   
2. 
   McMahon O.B., Brown E.R., Hover G.L. //Oil Thickness Detection Using Wideband Radiometry, Proceedings, 1995 International Oil Spill Conference.
   
3. 
   N.Skou //Radiometry for oil pollution monitoring, measurements and system, IEEE Trans. on geoscience and remote sensing 1986. V.24, №3. P.360-367.
   

Измерение параметров нефтяных разливов на поверхности грунта радиометрическим поляризационным методом

А.С.Пелюшенко

Нижегородский госуниверситет

В течение последних 2-х лет в НИРФИ получил развитие радиометрический поляризационный метод для измерения параметров разливов нефти на поверхности воды [1]. Однако большая сеть нефтепроводов сосредоточена также в континентальных условиях, что требует разработки новых методов оценки параметров разливов на поверхности грунта [2]. Диэлектрические параметры почвогрунтов весьма разнообразны, и для их описания используются различные формулы смесей [3]. В этом случае большое значение имеют лабораторные исследования образцов сухих грунтов. Выявлена экспериментальная зависимость диэлектрической проницаемости сухого грунта от его плотности, характеризующаяся соотношением [4]:

_C≈(1+0,5_C)², (1)

где _C – действительная часть комплексной проницаемости сухого грунта, _C – плотность грунта в г/см. Для случая влажных почвогрунтов используется “рефракционная” модель Брауна:

, (2)

Рис. 1
где _П – диэлектрическая проницаемость смеси, _W – воды и _С – сухого грунта, _C – относительная объемная концентрация воды. С увеличением влагосодержания значения действительной и мнимой частей диэлектрической проницаемости грунта возрастают [3]. На рис.1 представлены экспериментальные данные изменения диэлектрических параметров грунта от влагосодержания на длине волны 8 мм. На рис.2 представлены изменения отношения излучательной способности Iv/Ih среды нефтяная пленка-грунт на вертикальной и горизонтальной поляризациях для длинны волны 8 мм и угле наблюдения =55⁰ относительно надира. Для случая сухой земли комплексная диэлектрическая проницаемость _З=6+ j0,1, влажного грунта с W=0,2 _П =10+ j6, диэлектрическая проницаемость нефти _Н=2+ j0,01. Наблюдается уменьшение вариаций Iv/Ih от толщины пленки нефти по отношению к среде нефть-вода, что, в свою очередь, приведет к уменьшению точности метода. Однако еще одним существенным фактором, снижающим возможности метода, может явиться неоднородность подстилающей поверхности (земного грунта). Возможные размеры неровностей земной поверхности таковы, что по отношению к диапазону миллиметровых и сантиметровых длин волн она может представляться шероховатой (характерный масштаб соизмерим с длинной волны) и локально гладкой (с неровностями больше длинны волны). Для учета влияния крупномасштабных неровностей используется метод Кирхгофа, аналогично [5]. На рис.2 представлены результаты моделирования неровной поверхности со среднеквадратичным значением уклонов =10⁰. Из рис.2 видно, что влияние крупномасштабных неоднородностей сказывается не так существенно, как изменение влажности подстилающей почвы.

Рис. 2
Таким образом, показана принципиальная возможность использования радиометрического поляризационного метода для измерения параметров разлива нефти на поверхности грунта, влияния неоднородности земного покрова и его влагосодержания.

1. 
   Pelyushenko S.A. //Spill Sci &Techn.; Bull. 1995. V2,№4 P.249
   
2. 
   Гайкович К.П. //Тр. 2-й научн. конф. Применение дистанционных радиофизических методов в исследованиях природной среды. 7 июля 1992. –Муром: ИРЭ РАН, 1992.
   
3. 
   Шутко А.М. СВЧ-радиометрия водной поверхности и почвогрунтов. –М.: Наука, 1986.
   
4. 
   Кротиков В.Д. //Изв. вузов. Радиофизика. 1962. Т.5.
   
5. 
   Кисляков А.Г., Пелюшенко А.С. Влияние ветрового волнения на точность поляризационных измерений толщины пленки нефти на водной поверхности. Успехи современной радиоэлектроники. –М.: Радиотехника, 2003. №1. С.44-51.
   

Результаты ИССЛЕДОВАНИя ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ В ЦИФРОВОМ СИНТЕЗАТОРЕ МОДЕЛИРУЕМЫХ ЧАСТОТ

А.В.Тюрин

Нижегородский госуниверситет

Продолжено исследование динамики переходных процессов в цифровом синтезаторе моделируемых частот (ЦСМЧ) [1, 2]. Представляет практический интерес изучение динамики переходных процессов в широком специфическом диапазоне частот при переключении заданной частоты из положительной области в отрицательную область и наоборот. Для решения поставленной задачи построена математическая модель ЦСМЧ в изображениях:

(1)

В [1] была исследована математическая модель М, т.е. в малом, при отклонении частоты от состояния равновесия на малую величину. Уравнение (1) является математической моделью Б, т.е. в большом, при изменении знака частоты на противоположный.

Особенностями математической модели Б являются:

1. 
   
   

   Рис. 1
   Характеристика перестраиваемого генератора моделируемых частот (ПГМЧ) [3]. Зависимость частоты от управляющего напряжения изображена на рис.1.

   
   
2. 
   Для переключения частоты из положительной области в отрицательную, в соответствии с задачей введена ступенчатая функция скачка частоты: .
   

Решая систему (1) методом Лапласа, получим переходные процессы при различных параметрах =a²ST_и, которые изображены на рис.2. При переключении частоты из отрицательной области в положительную переходные процессы отображаются относительно оси абсцисс. Также представляют интерес процессы зависимости напряжения на выходе ЦАПа, которые изображены на рис.3. Кусочно-непрерывная функция представляет собой качественный практический график зависимости V(t).

Для углубленного изучения динамики переходных процессов разработана полунатурная модель ЦСМЧ для исследования на гибридно-вычислительном комплексе “Русалка”. Структура полунатурного моделирования изображена на рис.4.

Рис. 2

Рис. 3

Рис. 4

1. 
   Прокофьев Е.В., Тюрин А.В. //В кн.: Тр. 6-й научн. конф. по радиофизике. 7 мая 2002 г. /Ред. А.В.Якимов. – Н.Новгород: ТАЛАМ, 2002, с.158.
   
2. 
   Прокофьев Е.В., Тюрин А.В. Устройства синхронизации и формирования сигналов. Научно-технический семинар. 3-6 июля 2002г. – Н.Новгород, 2002, с.11.
   
3. 
   Прокофьев Е.В. Устройства синхронизации и формирования сигналов. Научно-технический семинар. 3-6 июля 2002г. – Н.Новгород, 2002, с.8.
   

Модуляционный радиометр с АСИММЕТРИЧНЫМ временем накопления сигнала от эталонной нагрузки

В.П.Сырейщиков, А.В.Востоков

Научно-исследовательский радиофизический институт

Широкое применение в практике нашла, так называемая, модуляционная схема радиометра, в которой в один отрезок времени накапливается сигнал от источника, в другой – от эталонной нагрузки. Как правило, эти отрезки равны. Такой подход малоэффективен при поляризационных измерениях [1]. Дело в том, что при поляризационных измерениях проводится измерение на одном радиометре двух компонент сигнала: составляющих с горизонтальной и вертикальной поляризацией. Эта ситуация аналогична приёму сигналов от двух источников. При решении такой задачи используется дополнительная модуляция тракта с кратной частотой [1].

В этом случае время накопления сигнала от каждого из источников составляет одну четвёртую общего времени наблюдения, а время накопления сигнала от эталонной нагрузки – одну вторую общего времени наблюдения. Очевидно, и чувствительность приёмника по сигналу определенной поляризации уменьшается в два раза по сравнению с чувствительностью стандартного модуляционного радиометра.

Для построения поляризационного радиометра с высокой чувствительностью и точностью измерения поляризационных сигналов предложена схема радиометра с двумя модуляциями в тракте. Опорное колебание выбрано таким образом, что время накопления сигнала от источника вертикальной поляризации равно времени накопления сигнала от источника горизонтальной поляризации и времени накопления сигнала от эталонной нагрузки. Такая схема радиометра является асимметричной по времени накопления полезного (принимаемого) сигнала и времени накопления сигнала от эталонной нагрузки. Эта схема оказалась значительно более требовательной к частотным, фазовым, импульсным характеристикам, динамическому диапазону и нелинейным характеристикам тракта.

Разработка сложных, специальных схем генераторов управляющих напряжений, синхронного фильтра и синхронного детектора позволила реализовать для поляризационных измерений модуляционный радиометр по принципу асимметричной схемы. Время накопления от сигналов поляризации на 17% больше, чем у радиометров, построенных по классической схеме [1]. Если не измерять поляризацию, то радиометр принимает только яростный входной сигнал, но с асимметричным накоплением [2].

Чувствительность изготовленных поляризационных радиометров миллиметрового диапазона составляет несколько сотых градуса Кельвина при постоянной времени интегрирования равного одной секунде.

1. 
   Радиотелескоп для поляризационных измерений галактического радиоизлучения в диапазоне 30см. Препринт НИРФИ № 217. Горький, 1986.
   
2. 
   Троицкий В.С., Троицкая Ю.И., Сырейщиков В.П. //Изв. вузов. Радиофизика. 1989. Т.32, №9. С.1166.
   

<предыдущая страница