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
где 1,2 – длительности переднего и заднего фронтов соответственно, причем обычно 12 [2].
Используя известные результаты [1], легко показать, что в волновой зоне, начинающейся с расстояний rc1, 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:
Сравнение спектров (2), (4) показывает, что при переходе в волновую зону происходит подъем спектральных составляющих на частотах (12)-0.5 и, соответственно, резкий спад при (12)-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 12.
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.
|
Рис.1 |
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, Ts – длительность свипа, а также F=kTs (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 |
|
Рис.3 |
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.
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.
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+0,5C)2, (1)
где C – действительная часть комплексной проницаемости сухого грунта, C – плотность грунта в г/см. Для случая влажных почвогрунтов используется “рефракционная” модель Брауна:
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.
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:
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:
Рис. 1
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
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.
16 12 2014
14 стр.
15 12 2014
1 стр.
15 10 2014
1 стр.
10 10 2014
1 стр.
10 10 2014
1 стр.
14 12 2014
1 стр.
08 10 2014
1 стр.
13 12 2014
2 стр.