Содержание к диссертации
Введение
1. Непрерывная калибровка систем микроволнового зондирования при внешнем воздействии на антенну
1.1. Непрерывная калибровка эффективного коэффициента усиления
антенны метеорадиолокатора сантиметрового диапазона длин волн 33
1.1.1. Влияние метеофакторов на параметры антенн сантиметрового диапазона дли волн 34
1.1.2. Метод непрерывной калибровки коэффициента усиления антенн МРЛ 40
1.1.3. Результаты экспериментальной проверки метода непрерывной калибровки коэффициента усиления антенн МРЛ 49
1.2. Непрерывная калибровка контактного радиометра
миллиметрового диапазона длин волн 54
1.2.1. Измерения антенной температуры одновременно с калибровкой радиометра 57
1.2.2. Выбор параметров модулятора и первичная калибровка радиометра 60
1.2.3. Точность измерения температуры 61
1.2.4. Результаты экспериментальной проверки метода измерений 62
2. Система активно-пассивного зондирования лабораторной плазмы в миллиметровом диапазоне длин волн 68
2.1. Свойства низкопорогового коллективного оптического разряда как динамического объекта лабораторного микроволнового зондирования 70
2.1.1. Рассеивающие свойства низкопорогового коллективного оптического разряда
2.1.2. Собственное микроволновое излучение низкопорогового коллективного оптического разряда 78
2.2. Способ реализации синхронного активно-пассивного зондирования динамических объектов 84
2.2.1. Описание способа измерений 84
2.2.2. Описание лабораторной установки 88
2.3. Результаты экспериментальных исследований 90
3. Широкополосная система микроволнового зондирования для обнаружения и локации источников импульсных шумовых сигналов 100
3.1. Структура и характеристики сигналов и адаптивного обнаружителя 105
3.1.1. Структура сигналов 105
3.1.2. Структура оптимального обнаружителя 109
3.1.3. Характеристики оптимального обнаружителя 112
3.1.4. Структура адаптивного обнаружителя 120
3.1.5. Результаты экспериментальной проверки характеристик адаптивного обнаружителя 122
3.2. Алгоритм оценки временных и частотных сдвигов сигналов фазовым методом, точность и разрешающая способность системы 125
3.2.1. Идеальный канал передачи сигнала 126
3.2.2. Канал с аддитивным гауссовым шумом 128
3.2.3. Райсовский канал передачи сигнала 133
3.2.4. Реализация разрешения по временной задержке сигналов 136
4. Многопозиционная широкополосная пассивная система локации распределенных источников нестационарного шума 141
4.1. Разностно-дальномерная локация области источников широкополосного шума фазовым методом 147
4.1.1. Алгоритм работы измерителя временных задержек шумовых сигналов 150
4.1.2. Случай большого числа источников 154
4.1.3. Измерение в присутствии аддитивного гауссова шума 156
4.2. Метод определения координат и траекторий нескольких источников шума с помощью вычисления трехмерной взаимно-корреляционной функции сигналов 161
4.2.1. Определение трехмерной взаимно-корреляционной функции и ее свойства 165
4.2.2. Ускоренная процедура расчета трехмерных взаимно корреляционных функций и метод оценки параметров сложных и
распределенных объектов 170
5. Одноканальная интерферометрия динамических объектов в миллиметровом диапазоне длин волн 176
5.1. Структурные схемы одноканальных микроволновых интерферометров и алгоритмы обработки интерферограмм 197
5.2. Экспериментальные исследования газодинамических процессов с помощью интерферометров мм диапазона длин волн при одномодовом режиме зондирования 217
5.2.1. Измерение скорости движения физического маятника 217
5.2.2. Измерение скорости метаемой продуктами взрыва пластины 219
5.2.3. Измерение скорости детонации в тонком стержне взрывчатого вещества 221
5.2.4. Измерение скорости ударной и детонационной волн в образце взрывчатого вещества 224
5.2.5. Измерение параметров движения снаряда в стволе пушки с помощью квазиоптической антенны 226
5.3. Многомодовый режим зондирования: способы разделения мод и повышение информативности системы 237
5.3.1. Измерение характеристик ударно-сжимаемых диэлектрических материалов 238
5.3.2. Измерение скорости детонации и сопутствующих параметров в тонких диэлектрических цилиндрах из взрывчатого вещества 248
6. Многоканальная интерферометрия газодинамических объектов в миллиметровом диапазоне длин волн 270
6.1. Измерение параметров сложного движения динамических объектов с помощью многоканального радиоинтерферометра 278
6.1.1. Анализ возможностей измерения параметров сложного движения отражающих поверхностей 278
6.1.2. Алгоритмы обработки данных многоканального интерферометра
6.1.2.1 Алгоритм обработки данных трехканального радиоинтерферометра при восстановлении движения в плоскости 301
6.1.2.2 Алгоритм обработки данных девятиканального радиоинтерферометра при восстановлении объемного движения 314
6.1.3. Результаты экспериментальной проверки работы многоканального радиоинтерферометра 327
6.1.3.1. Измерение параметров сложного движения механического тестового объекта «Спираль Архимеда» 327
6.1.3.2. Измерение параметров сложного движения в газодинамических экспериментах 338
6.2. Перспективы расширения функциональных возможностей многоканального радиоинтерферометра при зондировании сложных динамических объектов 342
Заключение 359
Литература
- Метод непрерывной калибровки коэффициента усиления антенн МРЛ
- Собственное микроволновое излучение низкопорогового коллективного оптического разряда
- Алгоритм оценки временных и частотных сдвигов сигналов фазовым методом, точность и разрешающая способность системы
- Измерение в присутствии аддитивного гауссова шума
Введение к работе
Актуальность исследования. Микроволновое зондирование является эффективным методом экспериментального исследования различных физических объектов и широко применяется на практике в дистанционном зондировании природных сред, радио- и гидролокации, имиджинговых и локационных системах малого радиуса действия, системах неразрушающего контроля, технических средствах медицинской диагностики. Основными достоинствами микроволнового зондирования являются невозмущающий характер измерений, их непрерывность, высокая производительность и потенциальная точность, а также возможность определения параметров неоднородностей прозрачных для электромагнитных или акустических волн миллиметрового и сантиметрового диапазонов сред. Этими достоинствами обусловлено активное развитие метода микроволнового зондирования в настоящее время (см., например, Волосюк В.К., Кравченко В.Ф. Статистическая теория радиотехнических систем дистанционного зондирования и радиолокации. М.: Физматлит, 2008) и его широкое внедрение в практику измерений характеристик изменяющихся во времени (динамических) объектов (см. Михайлов А.Л. и др. Некоторые результаты применения в ИФВ РФЯЦ-ВНИИЭФ радиоинтерферометров мм диапазона длин волн для изучения газодинамических процессов // Труды Междунар. конф. «7 Харитоновские тематические научные чтения. Экстремальные состояния вещества. Детонация. Ударные волны». Саров. 2005. С. 649-654).
В то же время при реализации потенциальных возможностей метода микроволнового зондирования во многих случаях возникают трудности, связанные с тем, что в ходе измерений наряду с изменением параметров объекта могут существенно меняться и условия измерений (расстояние до объекта, характеристики канала распространения излучения, уровень шумов и др.). Так, например, при измерении скорости горения с помощью микроволнового интерферометра точность измерений существенно снижается из-за влияния таких факторов, как вибрация экспериментального оборудования, сжимаемость топлива, отражение от плазмы пламени, шероховатость и кривизна поверхности горения, затухание и рассеяние зондирующего излучения (см. Зарко В.Е. и др. Методические проблемы измерения скорости горения твердых топлив с использованием СВЧ-излучения // ФГВ. 2000. № 1. С. 68–78). Наибольшие трудности возникают при зондировании динамических объектов, находящихся на малом расстоянии от антенны системы микроволнового зондирования (СМЗ), что характерно для лабораторных исследований. При этом компактность экспериментальных установок приводит к тому, что изменение свойств объекта (его координат, скорости, размеров и т.д.) существенно меняет и условия измерения.
Настоящая работа посвящена развитию методов микроволнового зондирования, способных эффективно работать при существенном изменении как свойств объекта измерения, так и условий измерения. Рассмотрение ведется на примере актуальных прикладных задач метода микроволнового зондирования, включающих дистанционное зондирование атмосферных осадков, измерение температуры внутренних органов человека, диагностику параметров плазмы оптического пробоя, акустическую локацию источников шума, интерферометрическое измерение скоростей ударных и детонационных волн.
В задаче о зондировании атмосферных осадков в диссертации решается проблема снижения энергетического потенциала СМЗ в результате изменяющегося воздействия гидрометеоров на антенну СМЗ. Применительно к медицинской радиотермометрии предложен способ устранения ошибок измерения, связанных с неконтролируемыми изменениями условий контакта между антенной и телом пациента. Разработанная в диссертации система диагностики плазмы позволяет учитывать изменение соотношения между яркостной температурой плазмы и антенной температурой радиометра. Для задач локации распределенных источников шума разработаны алгоритмы, учитывающие нестационарный характер взаимных помех от различных частей источника. Для решения традиционно сложной проблемы измерения мгновенных скоростей газодинамических процессов разработаны алгоритмы компенсации искажений интерферограмм, позволившие добиться в эксперименте предельно достижимой точности измерений.
Предложенные в диссертации методы компенсации изменения условий измерения, основанные на сочетании непрерывной калибровки параметров измерительной системы с инвариантными к изменяющимся параметрам алгоритмами обработки сигналов, имеют важное значение для развития экспериментальных методов радиофизических исследований и целого ряда практических приложений техники микроволнового зондирования.
Цель исследования – разработка и экспериментальная реализация методов микроволнового зондирования, позволяющих повысить устойчивость измерительных систем в изменяющихся условиях измерений.
Для достижения поставленной цели применительно к ряду актуальных конкретных приложений в диссертации решаются следующие задачи:
1. Разработка и реализация системы непрерывной калибровки СМЗ при внешнем воздействии на ее антенну.
2. Разработка способа одновременного измерения яркостной температуры, площади поперечного сечения ослабления и площади поперечного сечения рассеяния коллективного оптического разряда в атмосфере.
3. Построение алгоритмов обработки широкополосных импульсных сигналов СМЗ, устойчивых к случайным вариациям параметров канала распространения излучения.
4. Развитие метода многопозиционного пассивного зондирования на случай совокупности распределенных и множественных источников широкополосного шума.
5. Создание алгоритмов обработки сигналов микроволнового интерферометра при зондировании газодинамического процесса, развивающегося в компактной экспериментальной установке.
6. Разработка и реализация метода измерения параметров сложного движения фронта газодинамического процесса с помощью многоканального радиоинтерферометра.
Работа выполнена в Нижегородском государственном университете им. Н.И. Лобачевского. Экспериментальные исследования проводились: на базе метеорологического радиолокатора МРЛ-5 Госкомгидромета СССР (г. Москва), на специально созданных экспериментальных установках в лабораториях радиофизического факультета ННГУ им. Н.И. Лобачевского (г. Нижний Новгород), на экспериментальных площадках РФЯЦ-ВНИИЭФ (г. Саров). Компьютерные эксперименты проводились на базе вычислительных средств кафедры радиотехники радиофизического факультета ННГУ им. Н.И. Лобачевского.
Научная новизна исследования состоит в следующем:
разработан комплекс методов непрерывной калибровки СМЗ по внутренним эталонам, компенсирующий случайные вариации параметров антенны;
разработан способ динамического измерения яркостной температуры радикально изменяющего свои размеры объекта;
решена задача оценки характеристик оптимального обнаружителя импульсных широкополосных шумовых сигналов с известной формой зависимости дисперсии шума от времени для сигналов с различной базой;
получены оптимальные байесовские оценки значений и погрешностей временных и частотных сдвигов однократно воспроизведенных импульсных широкополосных сигналов по среднему значению распределения апостериорной вероятности фазовым методом с учетом рассеяния в канале передачи;
теоретически показана возможность применения пассивной фазовой разностно-дальномерной схемы зондирования для определения границ распределенного источника нестационарного широкополосного шума и ее динамики;
разработан метод однозначного определения координат нескольких сосредоточенных источников широкополосного шума путем вычисления трехмерных взаимно-корреляционных функций сигналов разностно-дальномерной схемы зондирования;
разработан метод одновременного измерения нескольких параметров газодинамического процесса (скорости ударной или детонационной волн, профиля фронта ударной волны, массовой скорости и показателя преломления вещества) с помощью одноканального радиоинтерферометра в условиях многомодового распространения зондирующего излучения в экспериментальной установке;
разработан метод измерения характеристик сложного движения отражающей поверхности (суперпозиции поступательного движения, вращения и малых деформаций) с помощью радиоинтерферометра, имеющего два активных и четыре пассивных измерительных канала.
Практическая значимость полученных результатов состоит в том, что разработанные методы позволяют:
уменьшить ошибки измерений, связанные с внешним влиянием на антенну СМЗ;
уменьшить ошибки измерений, связанные с динамическими изменениями параметров объекта и канала распространения зондирующего излучения;
контролировать динамику совокупности сосредоточенных и распределенных источников шумового излучения;
повысить информативность микроволновой интерферометрии газодинамических процессов.
Разработанные методы могут применяться в экспериментальных исследованиях газодинамических процессов, динамических свойств конструкций и материалов, в технике неразрушающего контроля, дистанционного зондирования, радио- и гидролокации, в технических средствах медицинской диагностики.
Результаты диссертационной работы были использованы в исследовательской и проектно-конструкторской деятельности ФГУП РФЯЦ-ВНИИЭФ и ФГУП ФНПЦ НИИИС им. Ю.Е. Седакова при выполнении НИОКР по разработке лабораторных макетов и методик применения одноканальных и многоканальных интерферометров миллиметрового диапазона длин волн, предназначенных для измерения параметров движения газодинамических объектов, в рамках научно-технической программы Росатома в 2003-2010 гг. Акты об использовании результатов диссертационной работы представлены в Приложении к диссертации.
Обоснованность и достоверность результатов диссертации. Результаты диссертации получены с помощью апробированных научных методов исследования и согласуются с известными теоретическими положениями статистической радиотехники, электродинамики и общей акустики. Достоверность полученных результатов и выводов подтверждается данными компьютерного моделирования и экспериментальных исследований на лабораторных макетах.
Положения, выносимые на защиту:
-
-
-
-
Разработан и экспериментально реализован метод непрерывной калибровки контактного радиометра миллиметрового диапазона длин волн с отражающим модулятором и встроенным генератором шума, позволяющий измерять термодинамическую температуру диэлектрического тела с изменяющимся коэффициентом поглощения. Метод обеспечивает долговременную погрешность, близкую к флуктуационной чувствительности радиометра.
-
Разработан и экспериментально реализован способ синхронного активно-пассивного зондирования нестационарного объекта, обеспечивающий непрерывные совместные измерения параметров собственного и рассеянного излучения общим измерительным приемником с разделением сигналов по их форме. Метод позволяет измерять динамику яркостной температуры объекта при значительных изменениях во времени размеров объекта.
-
Теоретически определены характеристики обнаружения для двух типов обнаружителей импульсных шумовых сигналов – оптимального, с известной формой огибающей, и адаптивного к форме огибающей. Показано, что эти характеристики зависят от величины базы импульсного шумового сигнала и от формы его огибающей.
-
Предложен алгоритм оценки значений и погрешностей временных и частотных сдвигов импульсных широкополосных сигналов фазовым методом – по среднему значению апостериорного распределения вероятностей сдвига, рассчитанному по одной реализации сигнала. Смещение оценок из-за рассеяния в канале передачи при большом отношении сигнал-шум рассеяния соответствует смещению оценки максимального правдоподобия для полностью известного сигнала и существенно лучше такой оценки при неизвестной начальной фазе.
-
Предложен фазовый метод измерения временных задержек широкополосных сигналов в разностно-дальномерных системах локации, который позволяет определять границы распределенного источника нестационарного широкополосного шума и ее динамику. В присутствии помехи в виде аддитивного белого гауссова шума и большом отношении сигнал-шум ошибки измерения временной задержки будут иметь распределение Коши.
-
Разработан метод однозначного определения координат нескольких сосредоточенных источников широкополосного шума путем вычисления трехмерных взаимно-корреляционных функций сигналов разностно-дальномерной схемы зондирования.
-
Разработаны алгоритмы компенсации искажений сигналов микроволнового интерферометра. Алгоритмы апробированы при обработке результатов серии газодинамических экспериментов, достигнутая при этом точность результатов близка к потенциальной.
-
Разработан и экспериментально реализован метод одновременного измерения нескольких параметров газодинамического процесса с помощью одноканального радиоинтерферометра в условиях многомодового распространения зондирующего излучения в экспериментальной установке.
-
Разработан и экспериментально реализован метод измерения характеристик поступательно-вращательного движения слабодеформирую-щейся отражающей поверхности с помощью многоканального радиоинтерфе-рометра.
Апробация результатов исследования. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на 23 конференциях, в том числе 7 международных, 12 всероссийских и 4 региональных.
Работа выполнена в рамках Ведущей научной школы РФ «Физика нелинейных и случайных волн в приложении к проблемам акустики и радиофизики» (НШ 3700.2010.2), в рамках научно-технической программы Росатома по госконтрактам № 0506/11-725 от 05.01.2004, № 0506/11-901 от 11.01.2005, № 0506/11-426 от 22.12.2007.
Публикации. Результаты диссертационной работы отражены в 56 публикациях, в том числе: 16 статей в журналах, вошедших в перечень ВАК, 2 авторских свидетельства на изобретение и один патент на полезную модель, 8 статей в других российских журналах, 14 публикаций в трудах международных, российских и региональных конференций, 15 публикаций тезисов докладов на различных конференциях. Список публикаций по теме диссертации с указанием личного вклада соискателя приведен ниже.
Личный вклад автора. 11 работ опубликовано соискателем без соавторов. В остальных работах его вклад в постановку и решение задач, анализ полученных результатов и написание текста в части относящейся к теме диссертации является основным. Приведённые в диссертации результаты получены им лично.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, библиографического списка, приложений и изложена на 417 страницах машинописного текста. Библиографический список включает 406 ссылок.
Метод непрерывной калибровки коэффициента усиления антенн МРЛ
В разделе 1.1 описывается способ непрерывной калибровки активной СМЗ при вариациях коэффициента усиления антенны в приложении к радиолокационному методу измерения интенсивности атмосферных осадков при воздействии дождя на радиопрозрачное укрытие метеорологического радиолокатора сантиметрового диапазона длин волн. Эти измерения относятся к области задач дистанционного зондирования природных сред. Предложенный метод прямо реализует принцип параллельной калибровки антенны СМЗ с помощью эталонной антенны с аппаратным разделением опорного и информационного сигналов. Кроме того, этот метод может быть реализован в СМЗ другого назначения для решения сходных проблем. Полученные в этом разделе результаты были использованы соискателем при защите диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук в 1989 году.
В разделе 1.2 рассматривается способ непрерывной калибровки контактного микроволнового радиометра с учетом эффектов рассогласования антенны с внутренним объемом зондируемого объекта в приложении к измерениям внутренней температуры живых объектов в медицине. Описанный в способ непрерывной калибровки контактного микроволнового радиометра прямо реализует принцип параллельной- калибровки средства измерений со встроенными эталонами шумового радиоизлучения и коэффициента отражения путем регистрации линейной комбинации нескольких опорных и информационного сигналов с аппаратным разделением опорных сигналов по времени и разделением информационного и опорных сигналов алгоритмически. Весьма- малое характерное время модуляции встроенных эталонов позволяет применять разработанный метод для измерения внутренних температур динамических объектов с характерным временем изменения поглощательной способности и внутренней температуры до сотых долей микросекунд.
Основные результаты, полученные в этой главе диссертации, опубликованы в работах соискателя-[2, 17, 20-23, 28, 32, 42, 43, 53, 54].
Во второй главе диссертации рассматривается СМЗ, предназначенная для динамического измерения параметров лабораторной низкотемпературной нестационарной плазмы. В процессе зондирования облако плазмы существенно изменяет свои размеры, форму и электрофизические характеристики, что приводит к существенным изменениям в соотношении между яркостной температурой плазмы и антенной температурой радиометра. Очевидно, применение внутренних эталонов в СМЗ, как это делалось в описанных в первой главе экспериментах, уже недостаточно для адекватной интерпретации измерительной информации и компенсации связанных с динамикой объекта ошибок. В силу этого обстоятельства в состав лабораторной СМЗ необходимо включать дополнительные измерительные каналы, контролирующие существенные параметры условий измерения в такой комбинации, которая позволит максимально полно учесть динамику соответствия измеряемых энергетических характеристик сигналов и физических свойств облака плазмы.
Приведено описание разработанного способа и аппаратуры синхронного активно-пассивного зондирования лабораторных динамических объектов, обеспечивающих непрерывные совместные измерения параметров собственного и рассеянного объектом излучения. Разработанный способ измерения позволяет контролировать вариации геометрических и электрофизических параметров динамического объекта и компенсировать возникающие при этом- ошибки измерения яркостной температуры объекта. При этом активный канал СМЗл выполняет роль опорного для пассивного канала. Реализованный; способ зондирования позволяет формировать исследуемый динамический объект однократно и регистрировать сигналы, пропорциональные интенсивности собственного и рассеянного излучения, одним приемным устройством. Разделение сигналов, активного и пассивного каналов производится, по форме принятых сигналов: Тем самым устраняется. влияние неконтролируемых: вариаций условий воспроизведения динамического объекта и нестабильности измерительной аппаратуры, что в свою; очередь повышает достоверность определения характеристик исследуемого объекта.
С помощью разработанной аппаратуры были проведены эксперименты; по синхронному двухчастотному активно-пассивному зондированию короткоживущей низкотемпературной, лабораторной плазмы, возникающей в облаке атмосферного аэрозоля под воздействием мощного лазерного импульса в виде низкопорогового коллективного оптического разряда (НКОР). Применение разработанного метода позволило получить, оценки величин и динамики размеров и температуры ядра разряда на ранних стадиях его существования и плазменного ореола разряда на стадиях его максимального развития и релаксации. Двухчастотное зондирование НКОР позволило судить о динамике градиентов температуры ореола и электронной концентрации плазмы в области НКОР: На стадии релаксации ореола низкопорогового коллективного оптического разряда был обнаружен автоволновой процесс переноса энергии, заряда и вещества от ядра разряда к его периферии.
Получить более детальную информацию о параметрах внутреннего автоволнового процесса переноса,; происходящего в плазменном ореоле, не удалось из-за недостаточного количества измерительных каналов СМЗ, работающих параллельно. В связи с этим сделан вывод о том, что в соответствии с общей тенденцией развития СМЗ для повышения информативности лабораторных СМЗ динамических объектов помимо комплексирования активных и пассивных методов зондирования необходимо применять широкополосные (многочастотные) и многопозиционные системы, адаптировать общие принципы функционирования таких систем к динамически изменяющимся условиям измерения.
Собственное микроволновое излучение низкопорогового коллективного оптического разряда
В результате на рабочей частоте со = 2,4 10" с"1 толщина скин-слоя 8 = [тс2(со2+и2)/2тісое2ЛГеи],/2 100 мкм оказывается того же порядка, что и поперечники треков (близкие к размеру частиц 2а). Иными словами, стохастический ореол начинает формироваться из сильнопоглощающих микрофакелов и их треков на временах порядка fi = RmaxlV 1 мс, совпадающих с моментом начала замирания сигналов обратного рассеяния, показанного на рис. 2.2 (а). В разлетающихся микрофакелах и их треках Ne быстро уменьшается, тогда как общая толщина стохастического ореола растет. При высокой концентрации частиц, присущей коллективному режиму пробоя, второе обстоятельство приводит к тому, что миллиметровое излучение "вязнет" в ореоле в результате многократных отражений. В результате сечение рассеяния области пробоя уменьшается (ядро становится "невидимым" в СВЧ-диапазоне). Подобное стохастическое замирание имеет место до тех пор, пока концентрация Ne в треках не станет меньше критического для частоты со значения Ne 1013 см"3. Как видно из рис. 2.2 (а), это происходит на временах t3 (2...2.5 мс), т.е. при толщине ореольного слоя Аг {t2\)IV 1.5 см, существенно превышающей длину волны зондирующего излучения, что согласуется с предложенной моделью замирания. К моменту времени ґз толщина скин-слоя 3 см для концентрации Ne оказывается того же порядка, что и размер ореола, что естественно для рассмотренного механизма. По мере релаксации стохастического ореола (из-за быстрого охлаждения микрофакелов вне фокального объема) релаксирующее с меньшей скоростью ядро "обнажается", граница области пробоя, в том числе на низких уровнях, существенных для рассеяния миллиметрового излучения, становится регулярной и достаточно резкой, что приводит к увеличению сечения рассеяния области пробоя. Уменьшение этого сечения наблюдается лишь на временах t 3.5 мс вследствие охлаждения ядра НКОР. Размер эквивалентного по рассеивающим свойствам шара Лш 1 см оказался близким к максимальному размеру Rmax ядра НКОР.
Характерное время t3 релаксации Ne в ореоле до значений, соответствующих "просветлению" ореола на заданной длине волны, зависит от размера аэрозольных частиц и интенсивности инициирующего излучения. Измерение t3 может быть использовано как для диагностики НКОР, так и для дистанционного определения характеристик дисперсных ансамблей. Применяя синхронное зондирование на нескольких длинах волн и измеряя t3 (А,), можно изучить динамику Ne в ореоле. Как следует из экспериментальных данных [96] и результатов численного анализа [53] ядро НКОР развивается при скоростях расширения (поперек пучка) от Vj_ = 2...3 м/с [53] до V± — 30 м/с [96] в зависимости от времени и конкретной конфигурации полидисперсного аэрозольного ансамбля в фокальной области. При крайних значениях V± эффект замирания может в большей или меньшей степени маскироваться или подавляться, что показано на рис. 2.2 (б). Так реализация, отмеченная кривой 1 на рис. 2.2 (б), соответствует случаю, когда V± V и короткоживущий стохастический ореол с малой концентрацией треков формируется раньше, чем ядро. Реализации, отмеченные кривыми 3 и 2 на том же рисунке, отвечают соответственно случаям, когда либо из-за сравнительно высокой скорости расширения ядра стохастический ореол "отстает" от его внешней границы и эффект замирания отсутствует, либо формируется наиболее мощный и долгоживущий ореол микрофакелов.
Эксперименты по измерению площади поперечного сечения бистатического рассеяния микроволнового излучения плазменным ореолом НКОР под разными углами визирования (от 15 до 120) дали примерно такие же результаты, что прямо указывает на изотропный характер рассеяния.
Для проверки выдвинутой гипотезы, объясняющей необычную динамику рассеивающих свойств плазменного ореола НКОР и оценки интенсивности его собственного микроволнового излучения были проведены эксперименты по пассивному зондированию НКОР в миллиметровом диапазоне длин волн.
Собственное микроволновое излучение низкопорогового коллективного оптического разряда
Наиболее характерным для диапазона СВЧ является некогерентное тепловое излучение плазмы, слагающееся из некоррелированных вкладов отдельных заряженных частиц [134]. Спектр теплового излучения является сплошным. По характеристикам теплового излучения оказывается возможным определять параметры плазмы-электронную температуру Те, а в некоторых случаях концентрацию Nc и частоту столкновения электронов и:
В отдельных участках диапазона СВЧ может возникать также излучение, связанное с коллективными; процессами в плазме. Такое излучение: может быть как когерентным, так и; некогерентным. Его исследование позволяет получать информацию-об условиях возникновения № динамике развитияїнеустойчивостей плазмы.
GB4r излучение многокомпонентной. плазмы, содержащей примеси в газовой: фазе и аэрозольные добавки, имеет особенности; связанные с вкладом собственного излучения примесных частиц, изменением степени ионизации и влиянием примесей на процессы энергообмена и заселенности энергетических уровней элементарных, осцилляторов [32]. Так, например, влияние аэрозольных: примесей- из материала с . малой; работой выхода изменяет концентрацию заряженных частиц в плазме благодаря эффектам поверхностной ионизации. Частицы из материала с малой работой выхода (А . 5 эв) могут вызывать увеличение концентрации плазмы, на-2 - 3 порядка по сравнению со случаем отсутствия аэрозолей.
Алгоритм оценки временных и частотных сдвигов сигналов фазовым методом, точность и разрешающая способность системы
При неоспоримых преимуществах многопозиционных СМЗ их практическая реализация сопряжена с рядом технических проблем: большой объем регистрируемых данных; взаимная амплитудно-фазовая калибровка пространственно разнесенных пунктов; необходимость передачи данных от нескольких приемных пунктов в единый центр обработки информации с точностью до фазы высокочастотных сигналов; высокая вероятность получения неоднозначных, в т.ч. ложных, отсчетов координат целей при зондировании сложных и распределенных объектов; разрушение информационной структуры пространственного распределения исходящего от объекта излучения при зондировании объектов сложной формы в условиях рассеяния на трассе распространения излучения или при наличии зон затенения на поверхности объекта.
Применение многопозиционных СМЗ для зондирования динамических объектов в лабораторных условиях имеет ряд особенностей, связанных со спецификой зондируемых объектов и процессов.
Во-первых, перечислим типичные динамические процессы, являющиеся объектами лабораторного зондирования и требующие оценки динамики их пространственных распределений. Для акустических пассивных систем это: импульсы акустической эмиссии в твердых телах, кавитационный шум в жидких средах, широкополосный акустический шум, сопровождающий течение вызванных локальным воздействием экзотермических реакций в объеме активного вещества и т.д. Во всех этих случаях на вход приемных устройств СМЗ поступают широкополосные сигналы естественного происхождения. Для диагностики динамических процессов в радиопрозрачных средах могут использоваться пассивные многопозиционные электромагнитные СМЗ в первую очередь для контроля динамики источников неравновесного и теплового излучения, появившихся вследствие внешнего воздействия. Как уже отмечалось, для диагностики сверхзвуковых процессов могут применяться исключительно радиосистемы. В настоящей главе диссертации обсуждаются пассивные многопозиционные системы. Активные многопозиционные СМЗ электромагнитными волнами могут применяться для измерения характеристик движения границ раздела радиопрозрачных сред: колебания деталей конструкций, сверхзвуковое движение границ газодинамических процессов, таких как фронты ударных и детонационных волн, фронты процесса горения под давлением и т.д. Такие системы будут рассмотрены в последующих главах диссертации.
Во-вторых, следует обратить внимание на компактность лабораторных установок. С одной стороны это обстоятельство позволяет достаточно просто организовать параллельную регистрацию и совместную обработку данных, получаемых в различных измерительных пунктах. С другой стороны это накладывает ряд ограничений на методы обработки сигналов. Так из-за ничтожных временных задержек между излученными и принятыми сигналами при зондировании объекта радиоволнами практически исключаются возможности временной селекции и полной корреляционной обработки сигналов. Как следствие, единственно возможным методом измерения временных интервалов становится фазовый метод и разностно-дальномерная система определения координат источников сигналов. Малые линейные и угловые размеры объекта зондирования существенно ограничивают число измерительных пунктов , и возможности пространственной фильтрации сигналов. Это приводит к сильной взаимозависимости регистрируемых в различных пунктах сигналов. Кроме того, при зондировании компактной экспериментальной установки имеет место тесная связь между характеристиками исследуемого процесса и трассы распространения зондирующего сигнала.
В-третьих, следует отметить скорость протекания исследуемых процессов. Так, если скорость развития исследуемого процесса ниже скорости звука в исследуемой среде, может быть использована акустическая система зондирования, позволяющая проводить корреляционную обработку сигналов. Если же скорость процесса выше скорости звука, то исключительным методом бесконтактного исследования является зондирование электромагнитными волнами и фазовая обработка сигналов. В любом случае динамический характер исследуемых процессов не оставляет возможностей для реализации процедуры синтеза апертур, т.к. обычно отсутствует возможность реализовать заметное перемещение приемных антенн за время проведения эксперимента, а закон движения исследуемого объекта априорно не определен.
Четвертое важное обстоятельство — невоспроизводимость динамического воздействия на объект исследования и, как следствие, невозможность накопления статистических данных в серии однотипных экспериментов. Эта проблема полностью соответствует уже обсужденной в предыдущей главе и пути ее решения должны быть аналогичны приведенным там решениям.
Таким образом, можно констатиров ать, что при реализации многопозиционных СМЗ для зондирования динамических процессов в лабораторных условиях необходимо решить ряд специфических задач по контролю динамики системы множественных и распределенных источников шумового излучения, в том числе: - задачу локализации границ области пространства, содержащей распределенные источники нестационарного широкополосного шума, и ее динамики пассивной разностно-дальномерной системой зондирования фазовым методом; - задачу локализации нескольких источников широкополосного шума корреляционным методом, исключающим неоднозначность в определении координат источников.
Измерение в присутствии аддитивного гауссова шума
Принцип работы разностно-дальномерной системы при определении координат и траекторий точечной цели основан на измерении временных задержек прихода сигнала от цели на разнесенные в пространстве приемные пункты. Если скорость распространения зондирующего излучения в среде, охватывающей цель и приемные пункты системы, известна, то измеренные значения временных задержек определяют разности расстояний от цели до каждой пары приемных пунктов. При этом в декартовой системе координат, имеющей начало отсчета в точке размещения одного из приемных пунктов (пункт №1), координаты остальных приемных пунктов обозначим {х„ yh z,}, причем / = 2, 3, и т.д., а координаты цели - {х0, уо, ZQ). Обозначим разность расстояний от цели до z -ro приемного пункта и до первого приемного пункта как (Аг;). Тогда для координат цели можно записать систему уравнений х,х0 + у;у0 + ztz0 + Ar R jxf+yf + zf - Аг? } 12 R\ = лІ4+Уо+2о Если имеется всего три приемных пункта, т.е. і = 2, 3, тогда получается система из трех нелинейных уравнений, которая может быть однозначно разрешена относительно {хо, у0, z0} при условии, что значения этих величин имеют известные знаки. Если знаки значений {х0, уо, z0] могут быть любыми, тогда нужно иметь четыре приемных пункта. Если же имеется пять приемных пунктов, то система уравнений становится линейной относительно { о, Уо zo, R\}- Нелинейное уравнение становится излишним и, назначая первым приемным пунктом каждый из пяти по очереди, можно получить четыре равнозначных системы линейных уравнений относительно {хо, уо, z0, Rt}.
Если одновременно имеется несколько точечных целей, сигналы от которых не могут быть различены на каждом из приемных пунктов по какому-либо признаку, возникает неоднозначность в определении координат целей и появляются ложные отклики локационной системы, соответствующие неправильным, комбинациям измеренных разностей расстояний: Шроблему ложных откликов и неоднозначности локационной системы обычно решают путем введения избыточности в измерительную систему и за счет априорной информации о положении и траекториях целей, однако даже для сравнительно небольшого числа целей проблема остается принципиально неразрешимой [227] . При локации распределенных целей эта проблема представляет еще большие трудности.
Измерение временных задержек В: разностно-дальномерной системе может быть реализовано амплитудным, фазовым или частотным методами. При локации источников сигналов, естественно го происхождения могут быть использованы только импульсный (в том случае, если; сигналы источников имеют форму импульсов) или фазовый (если; сигналы представляют естественные шумы) методы. Для локационных систем: малого радиуса действия, когда временные задержки сигналов ничтожно-малы, применимы исключительно фазовые методы измерения.
Рассмотрим работу разностно-дальномерной локации; области источников широкополосного шума; фазовым. методом на, примере СМЗ,: предназначенной для. диагностики: физических и химических процессов, протекающих в энергетических (активных) веществах. Одна из основных целей зондирования: — локализация-областей течения физических или химических процессов І в исследуемом объекте при внешнем воздействии И; классификация типов этих процессов. Представляет интерес различение двух вариантов течения исследуемого процесса: низкоэнергетический процесс, сопровождающийся шумовым акустическим или электромагнитным излучением, и локализованные в пространстве и времени высокоэнергетические события, сопровождающиеся более мощными акустическими (электромагнитными) импульсами.
Возможность и методы обнаружения и локализации области течения исследуемых процессов определяется присутствием сопровождающего естественного излучения, регистрируемого пассивными акустическими (электромагнитными) датчиками.. Каждая; точка пространства, в которой происходит изменение структуры вещества;, может рассматриваться как источник теплового электромагнитного-.. излучения или; короткого акустического импульса, распространяющегося со скоростью звука во все. стороны. При суммировании большого- числа таких импульсов, на. входе акустического преобразователя происходит нормализация процесса. G учетом статистической независимости и высокой плотности: таких событий акустический, шум на входе преобразователя можно- считать 8-коррелированным — «белым», также, как и для теплового электромагнитного излучения, поэтому далее не будем- делать различия между акустической и электромагнитной СМЗ.
На выходе приемного преобразователя автокорреляционная функция шума будет определяться полосой , пропускания датчика принятого излучения. Таким образом, область, пространства, в которой имеет место низкоэнергетический процесс, может быть идентифицирована как источник широкополосного шумового акустического излучения. Пространственное положение источника шума может быть определено разностно-дальномерным способом с помощью трех датчиков, расположенных в плоскости, которая определяет границу области зондирования. Эти измерения могут быть проведены, фазовым методом: Проблема применения данного способа состоит в том, что сигнал является? некоррелированным, шумом и, таким образом, по своим статистическим свойствам одна часть реализации сигнала неотличима от любой другой.
Похожие диссертации на Методы микроволнового зондирования, устойчивые к изменению условий измерения
-
-
-
