Методы микроволнового зондирования, устойчивые к изменению условий измерения (12.09.2011)

Автор: Канаков Владимир Анатольевич

?????????A

??????????

??????????

??????????

???????????0

0дающей с общей координатой двух источников. На основе этого свойства трехмерной взаимно-корреляционной функции разрешена проблема неоднозначности интерпретации результатов измерения временных задержек многопозиционными системами без привлечения дополнительной измерительной или априорной информации.

Рис. 8. Вид ВКФ3 точечного источника Рис. 9. Сечение ВКФ3 2-х источников

Благодаря тому, что значения ВКФ3 определяются произведением одномерных функций, затраты времени на вычисление координат ее максимумов можно радикально сократить. Очевидно, что координаты максимумов ВКФ3 будут совпадать с координатами максимумов соответствующих одномерных ВКФ. Таким образом вычислять значения ВКФ3 имеет смысл только в окрестностях максимумов одномерных ВКФ. При этом, затраты времени на расчет значений одномерных ВКФ незначительны.

Разработанные в четвертой главе диссертации методы в своей совокупности позволяют контролировать динамику системы множественных и распределенных источников шумового излучения многопозиционными СМЗ на основе относительных фазовых или корреляционных измерений, когда в качестве опорных сигналов используются информационные сигналы различных измерительных пунктов измерительной системы.

Основные результаты, полученные в этой главе диссертации, опубликованы в работах соискателя [7, 13, 14, 16].

В пятой главе диссертации рассматриваются методы, аппаратура и алгоритмы обработки данных лабораторных экспериментов по одноканальной микроволновой интерферометрии газодинамических процессов. Проводится сравнение известных структурных схем одноканальных микроволновых интерферометров и соответствующих этим схемам алгоритмов обработки интерферограмм. Обосновывается преимущество структурной схемы интерферометра по типу супергетеродинного приемника с квадратурным детектированием комплексной огибающей сигнала (рис. 10).

Описываются методики и приводятся результаты типичных газодинамических экспериментов с применением радиоинтерферометров: измерение скорости лайнера, метаемого продуктами взрыва, измерение скорости распространения детонации в тонком стержне взрывчатого вещества (ВВ), измерение скорости ударной и детонационной волн в массивном образце ВВ, измерение параметров движения снаряда в стволе пушки, измерение характеристик ударно-сжимаемых диэлектрических материалов. Разработка методик и проведение экспериментов выполнены в Институте экспериментальной газодинамики и физики взрыва РФЯЦ-ВНИИЭФ под руководством с.н.с. А.В. Родионова.

Рис. 10. Обобщенная структурная схема интерферометра

Выделяются два основных типа такого рода экспериментов: с одномодовым и многомодовым режимом распространения зондирующего излучения в экспериментальной установке. Для анализа сигналов в установках с одномодовым распространением используется известный оптимальный алгоритм оценки текущей фазы узкополосного сигнала. Для анализа сигналов в установках с многомодовым распространением используется метод электродинамического моделирования с минимизацией невязки модельного и измеренного сигналов по оцениваемым параметрам движения объекта.

Рассматриваются причины и проявления детерминированных искажений интерферограмм в опытных образцах с динамически изменяющимися характеристиками. К числу таких искажений относятся: значительное изменение амплитуд принятых сигналов, связанное с радикальным изменением расстояния между антенной и движущейся отражающей поверхностью, низкочастотный тренд принятых сигналов, связанный с изменяющимися в процессе измерений условиями согласования антенны с опытным образцом, разрушение квадратуры ортогональных компонент принятого комплексного сигнала, связанное с принципиально неустранимым рассогласованием антенны с опытным образцом, наличие кратных гармоник в спектре принятого сигнала, связанное с многократным отражением зондирующего излучения от объекта и антенны, а также с нелинейными искажениями сигнала в приемном устройстве СМЗ. Разработаны алгоритмы обработки сигналов, позволяющие компенсировать эти искажения (рис.11).

Рис. 11. Годограф интерферограмм

до и после обработки

Рассматриваются примеры частотного и пространственного разделения мод, а также случаи, когда разделение мод невозможно. Разработаны алгоритмы обра-ботки сигналов одноканаль-ного микроволнового интер-ферометра с многомодовым механизмом распространения излучения, позволяющие компенсировать детерминированные искажение информационной структуры сигналов СМЗ с регулярной конкуренцией нескольких пространственных мод (лучей) в канале распространения зондирующего излучения. Эти алгоритмы позволяют получать совместные оценки нескольких параметров газодинамических процессов и их погрешностей. Были обработаны результаты экспериментов двух типов.

В экспериментах первого типа исследовались свойства ударно-сжимаемых диэлектриков (рис. 12).

Модель интерферограммы Z(t) описывается формулой

где КМ – число отражений от всех границ раздела в установке, RA – коэффициент отражения от антенны в исследуемый образец, RFF – коэффициент отражения от сжатого вещества в целом, xk – длина оптического пути k-го луча. Результат сравнения экспериментальной интерферограммы с модельной при оптимальных параметрах модели представлен на рис. 13.

Рис. 12. Схема установки для исследования ударно-сжимаемого фторопласта

Рис. 13. Аппроксимация интерферограммы

В результате эксперимента, помимо оценки скорости ударной волны, получаемой с помощью контактных датчиков, удалось определить массовую скорость сжатого диэлектрика, профиль и максимальное значение показателя преломления диэлектрика на фронте ударной волны с погрешностями около 2% относительно контрольных данных.

В экспериментах второго типа исследовалась детонация в тонких диэлектрических цилиндрах из ВВ (рис. 14). Интерферограмма опыта с многомодовым возбуждением волновода из ВВ представлена на рис. 15.

Рис. 15. Экспериментальная интерферограмма при многомодовом зондировании образца

По экспериментальным оценкам частот основных компонент в спектре интерферограммы и характеристическому уравнению цилиндрического диэлектрического волновода получены совместные оценки скорости распространения детонации, диэлектрической проницаемости ВВ и корреляционная матрица ошибок.

Здесь (((,V) - взаимная корреляционная функция экспериментального и модельного спектров интерферограммы. Вид корреляционной функции представлен на рис. 16.

Таким образом, применение разработанных алгоритмов обработки позволило повысить информативность одноканальных интерферометров при зондировании динамического объекта через многомодовый канал распространения излучения. К числу одновременно оцениваемых параметров исследуемых газодинамических процессов относятся: массовая скорость и скорость ударных волн, диэлектрическая проницаемость ударно-сжатого вещества и профиль показателя преломления вещества за фронтом ударной

Рис.16. Корреляционная функция

волны в экспериментах по изучению процессов ударного сжатия диэлектрических мате-риалов; скорость распространения детонации, диэлектрическая про-ницаемость вещества и коэф-фициент взаимной корреляции этих параметров в экспериментах по изучению распространения детонации в образцах взрывчатых веществ.

Основные результаты, полученные в этой главе диссертации, опубликованы в работах соискателя [5, 8, 9, 11, 12, 34-40, 55, 56].

В шестой главе диссертации рассматриваются методы, аппаратура и алгоритмы обработки данных лабораторных экспериментов по многоканальной микроволновой интерферометрии газодинамических процессов. Многоканальная микроволновая интерферометрия применяется для измерения параметров сложного движения фронтов газодинамических процессов, включая поступательное движение, поворот и малую деформацию.

Все известные методы построения радиоизображений с помощью многоканальных систем можно разделить на два основных класса: построение двумерных изображений с помощью антенных решеток и радиоинтерферометров, и построение трехмерных изображений с помощью радиоголографических методов. С точки зрения задачи восстановления двумерного поля перемещений газодинамических процессов могут быть использованы оба варианта. При измерении двумерных радиоизображений исследуемых объектов поле перемещений может быть восстановлено по результатам измерения доплеровского сдвига частот, а стало быть, радиальной скорости каждого элемента двумерного изображения. При регистрации радиоголограмм, т.е. трехмерных изображений, поле перемещений получается путем вычитания продольных координат двух трехмерных образов, зарегистрированных в два близких момента времени. Оба подхода применяются для решения задачи восстановления поля перемещений объектов различной природы. Проведенный сравнительный анализ известных методов восстановления поля перемещений показал преимущества метода многоканальной радиоинтерферометрии сложных динамических объектов с точки зрения сложности реализации измерительной аппаратуры и алгоритмов обработки сигналов.

В разделе 6.1 диссертации решена задача разработки лабораторного метода многоканального (многопозиционного) активного зондирования сложных газодинамических объектов, аппаратуры для его реализации и алгоритмов обработки многоканальных интерферограмм. Разработанный метод позволяет проводить измерения параметров сложного движения динамических объектов, в том числе фронтов газодинамических процессов, включая поступательное движение, поворот и малые деформации поверхности, с помощью многоканального микроволнового интерферометра.

Рис. 17. Зоны покрытия поверхности объекта шестью антеннами МРИ

В тексте диссертации показано, что, если малая деформация отражающей поверхности может быть описана поверхностью второго порядка, для измерения параметров ее сложного движения может быть использован многоканальный радиоинтерферометр (МРИ) с двумя активными каналами, работающими на разных частотах, и четырьмя дополнительными пассивными каналами. Это позволит проводить измерения отсчетов поля скоростей в тринадцати отсчетных точках, расположенных в узлах правильной треугольной сетки. При этом расстояние между оптическими осями антенн (а) будет вдвое больше расстояния между узлами сетки (а/2), поперечное разрешение МРИ составит половину расстояния между узлами сетки (а/4), а размеры контролируемой поверхности составят (3(((3) а. Зоны покрытия поверхности исследуемого объекта шестью антеннами такого устройства представлены на рис. 17.

На этом рисунке серым фоном выделена движущаяся на нас исследуемая поверхность, сплошные окружности большого диаметра ограничивают области облучения двух передающих антенн, сплошные окружности малого диаметра отмечают положение оптических осей приемных антенн. Две малые окружности, расположенные в центре больших сплошных окружностей соответствуют приемным антеннам, совмещенным с передающими антеннами. Окружности большого радиуса, отмеченные пунктиром, ограничивают зоны покрытия чисто приемных антенн. В центрах областей пересечения сплошных и пунктирных окружностей крестами отмечены «блестящие» точки или точки отражения зондирующих волн для каждой пары передатчик – приемник.

Алгоритм обработки сигналов МРИ основан на приближении геометрической оптики, обычно справедливом для весьма малых расстояний между антенной системой МРИ миллиметрового диапазона и объектом зондирования, поперечные размеры которого составляют десятки длин волн. Текущее положение объекта определяется координатами «блестящих» точек на его отражающей поверхности, определяемыми системой уравнений

где A6 x+B6 y+C6 z+D6 = 0 – уравнение плоскости падения, а третье уравнение системы определяет равенство углов падения и отражения. Далее по результатам измерения приращения фаз соответствующих интерферограмм за время (t определяется перемещение блестящих точек вдоль нормали к поверхности с учетом значений углов падения и новые координаты блестящих точек в следующий отсчетный момент.


загрузка...