Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор методов и средств радиоволнового неразрушающего контроля плиточных строительных материалов 16
1.1. Радиоволновые СВЧ методы, основанные на измерениях амплитудно-фазовых характеристик СВЧ поля 17
1.2. Радиоволновые методы, основанные на измерениях частотных (спектральных) характеристик СВЧ поля и отражающих характеристик объекта контроля 22
1.3. Радиоволновые методы и средства неразрушающего контроля по поляризационным характеристикам СВЧ поля 28
1.4. Математический аппарат и программное обеспечение задач радиоволнового неразрушающего контроля 32
Выводы 49
2. Пространственно-временные характеристики СВЧ поля для неразрушающего контроля плиточных строительных материалов 52
2.1. Амплитудно-фазовые характеристики СВЧ поля 52
2.2. Поляризационные характеристики СВЧ поля 58
2.3. Частотные характеристики СВЧ поля 65
2.4. Пространственно-временные характеристики СВЧ поля в линиях передачи 71
Выводы 76
3. Поляризационные эффекты при взаимодействии СВЧ поля с исследуемым плиточным и строительным материалом в системе неразрушающего контроля 78
3.1. Статистическая модель процесса неразрушающего контроля в средствах, использующих пространственно-временные характери стики СВЧ поля 78
3.2. Математическое представление частично поляризованных радиоволн 81
3.3. Матрица когерентности, параметры Стокса и степень поляризации частично поляризованных радиоволн 89
3.4. Использование частично поляризованных радиоволн в средствах неразрушающего контроля плиточных строительных материалов 100
3.5. Статистические характеристики ортогонально поляризованных компонент сигналов с вращающейся поляризацией в дефектоскопии плиточных строительных материалов 103
3.6. Определение диэлектрических свойств плиточных строительных материалов по пространственно-временным характеристикам СВЧ поля 113
Выводы 121
4. Теоретические основы метода неразрушающего контроля плиточных строительных материалов по пространственно-временным характе ристикам СВЧ поля, измеренным в линии передачи 124
4.1. Модель взаимодействия СВЧ поля с объектом контроля в линии передачи 125
4.2. Отражающие характеристики плиточных строительных материалов, измеренные в линии передачи 131
4.3. Поляризационные характеристики СВЧ поля в линии передачи, нагруженной на плиточный строительный материал 143
4.4. Поляризационная матрица рассеяния объекта контроля, измеренная в линии передачи 151
Выводы 159
5. Практическая реализация радиоволнового метода неразрушающего контроля плиточных строительных материалов по пространственно- временным характеристикам СВЧ поля 162
5.1. Энергетический расчет измерительного комплекса 163
5.2. Измерительный комплекс с разнесенным приемом и передачей 167
5.3. Измерительный комплекс с совмещенным приемом и передачей 175
5.4. Программные средства автоматизированной обработки информации и управления измерительным комплексом 182
Выводы 187
6. Информационная система для неразрушающего контроля плиточных строительных материалов 188
6.1. Алгоритм работы информационной системы 189
6.2. Модель процесса обучения и принятия решений в экспертной системе «Радиоконтроль» 195
6.3. Программная реализация экспертной системы «Радиоконтроль» 215
6.4. Интерфейс экспертной системы «Радиоконтроль» 220
6.5. Страницы интерфейса, предназначенные для обучения экспертной системы «Радиоконтроль» 221
6.6. Страницы интерфейса, предназначенные для принятия решений 228
6.7. Дополнительные страницы интерфейса 232
Выводы 236
7. Экспериментальные исследования по неразрушающему контролю плиточных строительных материалов 238
7.1. Методика проведения экспериментальных исследований 238
7.2. Результаты эксперимента по решению задачи «Брак-норма» 247
7.3. Результаты эксперимента по решению задачи «Определение типа дефекта» 261
7.4. Результаты эксперимента при решении задачи «Расчет характеристик качества» 271
7.5. Эффективность неразрушающего контроля плиточных строительных материалов по результатам измерения коэффициентов отражения 275
Выводы 284
Основные результаты работы и выводы 287
Список литературы
- Радиоволновые методы, основанные на измерениях частотных (спектральных) характеристик СВЧ поля и отражающих характеристик объекта контроля
- Частотные характеристики СВЧ поля
- Матрица когерентности, параметры Стокса и степень поляризации частично поляризованных радиоволн
- Отражающие характеристики плиточных строительных материалов, измеренные в линии передачи
Введение к работе
Развитие любого производства, в том числе и производства плиточных строительных материалов (ПСМ), неразрывно связано с проблемой контроля различных свойств или характеристик качества (ХК) выпускаемой продукции. Совокупность ХК, определяющих пригодность материала для использования по назначению, является, в конечном итоге, его качеством.
В проблеме обеспечения высокого и стабильного качества ПСМ важную роль занимает неразрушающий контроль (ЯК). В обширном труде по неразру-шающему контролю /1/ рассмотрены существующие на сегодня разнообразные методы и технические средства, позволяющие решать вопросы контроля различных материалов и изделий. Отдельные из этих методов и средств НК находят широкое применение на предприятиях строииндустрии для определения физико-механических свойств ПСМ.
Основные из направлений использования НК на предприятиях строииндустрии связаны с производством бетонных и железобетонных изделий, производством стекла и керамических изделий, изделий из диэлектрических материалов, древесины, минеральных вяжущих материалов, органических вяжущих материалов, кровельных материалов и т.п. Приборная база НК указанных материалов основана на использовании физических эффектов взаимодействия полей различной природы с контролируемым объектом. Наибольшее применение при этом получили акустические, радиационные, магнитные, оптические, электромагнитные, и другие методы НК.
Радиоволновые методы используются для указанных целей в меньшей степени. Среди них наиболее разработаны методы определения геометрических размеров, диэлектрической проницаемости и тангенса потерь, влажности отдельных материалов. Измерения указанных параметров ведутся радиоволновыми средствами в диапазоне сверхвысоких частот (СВЧ) электромагнитного излучения. Электромагнитное СВЧ излучение - это движущееся электромагнитное поле или электромагнитная волна (ЭМВ) с длиной в диапазоне от Я = \мм до Я — 100 см. Создание СВЧ полей и освоение радиоволн этого диапазона, начатое в 30-х годах XX столетия, связано с разработкой радиолокационной техники для военных нужд. Начало системных научных исследований в области радиоволнового НК и создания на их базе соответствующих технических средств в России и за рубежом относится к началу 50-х годов. За сравнительно короткий промежуток времени развитие радиоволнового СВЧ контроля прошло путь от создания простейших приборов амплитудно-фазового контроля до построения комплексных систем, использующих современные компьютерные средства и технологии.
Большой вклад в развитие методов НК, создание техники СВЧ внесли отечественные научные школы в гг. Москве, Санкт-Петербурге, Томске, Нижнем Новгороде и др. Огромное значение имели разработки научных коллективов под руководством академиков А.И. Берга и Н.Д. Девяткова в области создания средств получения и генерации СВЧ полей, приема и обработки СВЧ сигналов элементной базы СВЧ. Трудами ученых Ленинградского электротехнического института им. В.И. Ленина (Ульянова) под руководством проф. К.И. Крылова и проф. В.Н. Рудакова впервые начаты исследования в области радиоинтраско-пии. Трудами этой же школы предложены и исследованы радиополяризационные методы контроля диэлектрических материалов. Дальнейшие общетеоретические задачи и практические приложения радиоволновой поляриметрии успешно решались многими московскими и ленинградскими учеными, руководимыми профессорами А.И. Козловым и В.А. Потехиным. Учеными НИИ Интра-скопии В.А. Павельевым, В.И. Матвеевым, Э.И. Вайнбергом, В.А. Вайнбергом, В.М. Кузнецовым, В.П. Козловым, В.П. Рутковским, Ю.М. Тучниным, Ю.Н. Крючковым и др. разработаны методы и созданы технические средства многоэлементной радиоинтроскопии и структуроскопии. Большой вклад в развитие теории и техники для СВЧ НК внесли ученые из различных научных школ России, в числе которых профессоры П.К. Ощепков, B.C. Семенов, Ф.И. Коломийцев, В.А. Конев, А.И. Лебедев, А.А. Брандт, А.И. Потапов, Л.Г. Дубицкий, Д.А. Усанов, М.А. Берлинер, О.О. Дробахин, М.Г. Александрова, В.А. Викторов, А.С. Совлуков, Б.В. Лункин, В.П. Ковалев и многие другие.
Успешному развитию радиоволновых методов НК и внедрению на их базе приборов СВЧ контроля способствовали работы, выполненные зарубежными учеными. Так, в США впервые в мире стали использовать методы неразру-шающего контроля для сортировки деталей. После 2-й Мировой войны на ежегодных симпозиумах проблемы надежности и качества продукции производств становятся определяющими. Вместе с ними определяющей становится проблема создания надежных средств НК.
В ФРГ с 50-х годов прошлого столетия начались работы по использованию волн СВЧ диапазона (микроволн) для контроля и дефектоскопии в керамическом производстве, в производстве огнеупорных изделий, для определения плотности бетонных изделий. Ученые Болгарии ведут исследования по комплексному решению проблем НК на базе интеллектуальных компьютерных технологий. Продолжают работы известные научные школы в странах ближнего зарубежья, бывших союзных республиках Белоруссии, Украине и Латвии.
История развития научных исследований в области неразрушающего контроля показывает, что в «ранние годы» методам СВЧ контроля отводилась второстепенная роль. Так в 121, в разделе «Будущее радиотехнических СВЧ-методов» сказано: «...радиотехнические методы нельзя поставить по значению в области неразрушающего контроля в один ряд с ультразвуком, радиографией или вихревыми токами, тем не менее, они необходимы для решения ряда задач, которые трудно решить другими методами, и значение их все возрастает». Очевидно, что в то время, когда эта монография создавалась и была издана, с подобным утверждением нельзя не согласиться. Это утверждение тем более очевидно, если его рассматривать в приложении к предприятиям стройиндустрии.
Вместе с тем, развитие физической науки, статрадиотехники, техники СВЧ, метрологии, средств автоматизации технологических процессов, компьютерных технологий дали огромный толчок развитию радиоволновых методов НК. Поэтому в настоящее время характерной чертой такой прикладной области как неразрушающий радиоволновой контроль, является использование достижений из различных смежных областей науки и техники.
У ПСМ нет универсальной характеристики, по которой определялось бы его качество, а, следовательно, не существует и универсального метода контроля. Так же, как высокий уровень техники и технологии немыслим без широкого внедрения автоматизированных систем управления, робототехники, компьютерных технологий, так и высокий уровень НК невозможен без комплексного решения проблем контроля. Комплексное решение предполагает использование разнообразных методов и средств НК на различных переделах производства ПСМ.
В последние 10-15 лет проблему комплексного подхода к использованию средств НК пытаются решать с помощью многопараметрового (многомерного) контроля в рамках одного метода. Определенные успехи и достижения в этом имеются, например, при использовании многопараметрового вихретокового метода. Отдельные попытки использования двухпараметрового контроля делаются в области радиоволнового метода. Вместе с тем, большой объем информации о ПСМ содержится не только в отдельных параметрах рассеянного от них СВЧ поля или ЭМВ, но и в разнообразных его характеристиках и их параметрах. В этой связи весьма актуальным, представляющим большой научный и практический интерес, является рассмотрение возможностей радиоволнового метода НК по комплексу характеристик СВЧ поля при его взаимодействии с ПСМ. Рассматриваемое СВЧ поле физически представляет волновой процесс, характерной чертой которого является зависимость как от пространства, так и от времени. Поэтому характеристики и соответствующие им параметры СВЧ поля являются пространственно-временными.
Теоретическое обоснование и комплексное решение научной проблемы НК ПСМ радиоволновым методом с использованием комплекса пространственно-временных характеристик СВЧ поля имеет важное научное и прикладное значение.
С исследованием этой проблемы и развитием данного направления связаны цель, решаемые задачи и содержание предлагаемой диссертации.
Целью диссертации является разработка метода и технических средств НК ПСМ по пространственно-временным характеристикам СВЧ поля для повышения достоверности, надежности, оперативности контроля, улучшения экологических условий при производстве контролируемых изделий. В соответствии с целью работы определены следующие ее задачи:
1. На основании проведенного обзора методов и средств НК, анализа пространственно-временных характеристик и параметров СВЧ поля предложить физические модели взаимодействия поля с объектом контроля (ОК).
2. Разработать математическую модель и выполнить теоретические исследования возможности реализации радиоволнового метода НК по поляризационным характеристикам рассеянного СВЧ поля за счет обработки сигнала в поляризационно-ортогональных каналах при наличии помех.
3. Исследовать физический процесс взаимодействия произвольно поляризованного СВЧ поля (ЭМВ) в линии передачи или длинной линии, нагруженной на ОК в виде ПСМ. Разработать математическую модель процесса, теоретически обосновать радиоволновый метод НК по пространственно-временным характеристикам СВЧ поля, реализующий указанную модель. 4. Создать и практически реализовать комплекс технических средств измерения, обработки и автоматической регистрации пространственно-временных характеристик СВЧ поля с целью их дальнейшего использования для НК ПСМ.
5. Разработать программные и аппаратные средства автоматизированной обработки и хранения измеренных характеристик на ЭВМ.
6. Используя возможности информационных технологий, построить экспертную систему (ЭС), позволяющую на основе предварительного обучения и в соответствии с определенными и установленными решающими правилами обеспечивать качественный НК ПСМ.
7. Провести экспериментальные исследования на натурных образцах ПСМ для решения различных задач НК.
Исследования и разработки, обобщенные в диссертации, выполнены автором в 1980 - 2005 г.г. на кафедре Математического моделирования и вычислительной техники Воронежского государственного архитектурно-строительного университета по темам плановых НИР ГКНТ, хозяйственным договором с предприятиями стройиндустрии г. Воронежа и программам Минобразования РФ.
Научная новизна работы. Развиты основы научно-практического направления в области радиоволновых методов НК строительных материалов по комплексу пространственно-временных характеристик СВЧ поля.
Теоретически обоснована, методами статрадиофизики описана стохастическая модель процесса НК по поляризационным характеристикам частично поляризованного сигнала, являющегося результатом рассеяния СВЧ поля от ОК в пространстве. Полученный при этом комплекс поляризационных характеристик в виде матрицы когерентности, параметров Стокса, а также коэффициенты Френеля могут быть использованы для определения электрофизических характеристик ПСМ. Разработаны теоретические основы радиоволнового метода НК ПСМ по пространственно-временным характеристикам СВЧ поля, в основу которого положена физическая модель процесса взаимодействия этого поля с ОК в линии передачи.
Построена математическая модель, описывающая процесс интерференции произвольно поляризованных падающей и отраженной от ОК радиоволн в линии передачи. На основе математической модели установлены и определены зависимости между пространственно-временными характеристиками СВЧ поля, отражающими, поляризационными и электрофизическими характеристиками ОК, которые, в общем случае, имеют векторный характер.
Результаты теоретических исследований нашли отражение в создании технических средств измерения пространственно-временных характеристик СВЧ поля в виде измерительных комплексов и программно-аппаратных средств для автоматизированной обработки результатов измерения и формирования необходимой базы данных (БД).
Создан алгоритм работы системы информационного обеспечения НК, основанный на использовании комплекса, определенным образом сформированных информативных параметров (ИП), инвариантных относительно положения (ориентации) ОК в пространстве и позволяющих получить о нем дополнительную информацию для повышения надежного контроля и реализации конвейерного принципа работы контролирующей техники.
Разработаны структура ЭС, математическая модель обучения и принятия решения для автоматизации НК. Определены и впервые введены в ЭС правила принятия решений (решающие правила), позволяющие минимизировать ошибки при осуществлении контроля. Предложена процедура оптимизации набора инвариантных ИП, который обеспечивает наивысшую эффективность ЭС в смысле правильного принятия решения в задачах контроля ПСМ.
Комплекс разработанных математических, алгоритмических, программных и аппаратных средств позволили впервые использовать ЭС в качестве интеллектуальной системы для НК ПСМ по пространственно-временным характеристикам СВЧ поля.
Практическая ценность работы. Практическая ценность работы определяется возможностями решения на основе полученных научных результатов прикладных задач НК ПСМ в лабораториях испытания материалов и на технологическом конвейере за счет модернизации и технического перевооружения производства на базе средств автоматизации и современных интеллектуальных компьютерных систем.
Как показывают экспериментальные исследования по выявлению бракованной керамической плитки и определению типа брака, методологические аспекты, положенные в основу построения соответствующей ЭС, могут быть распространены на другие материалы для определения их ХК путем выбора эффективных наборов ИП и соответствующих решающих правил.
Разработанный радиоволновой метод НК ПСМ по пространственно-временным характеристикам СВЧ поля позволяет на практике отказаться от традиционных способов измерения амплитудно-фазовых характеристик и перейти к измерениям комплексного коэффициента отражения (КО) в поляриза-ционно-ортогональных каналах. Использование КО в качестве инвариантного ИП повышает эффективность и надежность ЭС.
Применение приемо-передающей широкополосной аппаратуры позволяет создавать технические средства НК ПСМ, работающие в широком спектре частот, что является важным для расширения функциональных возможностей рекомендуемого метода.
Методы и методики исследования. Исследования, представленные в диссертации, базируются на основополагающих принципах статрадиофизики, электродинамики, поляризационной селекции сигналов, теории цепей, теории распознавания, экспертных систем с использованием аппарата теории вероятности, векторной алгебры, вычислительной математики и современных компьютерных технологий. Реализация научно-технических результатов. Результаты работы были использованы при проведении научно-исследовательских работ, при постановке новых учебных курсов и выполнении учебно-исследовательских работ в Воронежском государственном университете на факультете компьютерных наук и в Воронежском государственном архитектурно-строительном университете на факультете автоматизации и информационных систем.
Результаты работы внедрены и внедряются на ЗАО ПКФ «Воронежский керамический завод», ОАО «Семилукский завод огнеупорного кирпича».
Получены также положительные рекомендации по внедрению отдельных результатов работы в ряде научных и производственных организаций г. Воронежа.
Апробация работы. Основные результаты и положения диссертации доложены на VII Международной научно-технической конференции «Оптические, радиоволновые, тепловые методы и средства контроля природной среды, материалов и промышленных изделий» (г. Череповец, 1977 г.), VI, VII, VIII Международных научно-технических конференциях «Информационная среда вуза» (г. Иваново, 1999-2001 гг.), Международной научно-технической конференции «Интерстроймех-98» (г. Воронеж, 1998 г.), II Международной научно-практической конференции «Информационные технологии в моделировании и управлении» (г. Санкт-Петербург, СПбГТУ, 2000 г.), Международной научно-практической конференции «Теория активных систем» (г. Москва, ИЛУ им. Трапезникова, АН России, 2000 г.), Международной научно-технической конференции «Приборостроение - 2004» (гг. Винница, Ялта, 2004 г.), Всесоюзной научно-технической конференции «Применение радиоэлектроники, автоматики и вычислительной техники в строительном производстве» (г. Москва, 1983 г.), Всесоюзном семинаре «Развитие АСУ и автоматизация производственных процессов» (г. Москва, ВДНХ СССР, 1984 г.), Всесоюзном научно-техническом семинаре «Применение радиоэлектроники, автоматики и вычислительной техники в строительстве» (г. Москва, ВДНХ СССР, 1984 г.). Отдельные результаты работы докладывались на V и VI-x чтениях в Российской академии архитектуры и строительных наук «Современные проблемы строительного материаловедения» в г. Воронеже, 1999 г. и в г. Иваново в 2000 г.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 39 работ, в числе которых 1 монография, 9 статей в центральной печати, 1 авторское свидетельство, программные продукты, зарегистрированные в Государственном фонде алгоритмов и программ и двух электронных журналах.
Структура и объем диссертации. Материалы диссертации содержатся в 2-х томах. Том первый состоит из введения, семи глав, основных результатов работы и выводов и списка литературы общим объёмом 311 страниц, включая 55 рисунков и 9 таблиц.
Том второй, объёмом 163 страниц включает приложения в виде листингов программ, интерфейс пользователя ЭС «Радиоконтроль» и результатов экспериментальных исследований.
При работе над диссертацией автор постоянно испытывал творческую помощь и поддержку научного консультанта профессора, доктора технических наук Суровцева И.С., за что выражает ему искреннюю благодарность и признательность.
Автор также благодарен за обсуждение результатов работы и рекомендации профессору, д.т.н. Болдыреву A.M., профессору, д.т.н. Чернышову Е.М. Отдельные вопросы научных исследований решались при участии доцента к.ф.-м.н. Кононову А.Д. и учеников доцентов, к.т.н. Меркулова Д.В. и Распопова А.В., за что автор им глубоко благодарен.
Радиоволновые методы, основанные на измерениях частотных (спектральных) характеристик СВЧ поля и отражающих характеристик объекта контроля
С развитием подповерхностной радиолокации /38/ существенно возрос интерес к использованию широкополосных СВЧ полей для неразрушающего контроля ХК ПСМ. Подповерхностная радиолокация основана на зондировании ОК сверхширокополосными (СШП) импульсными сигналами. При зондировании ОК часть СШП сигнала отражается от его поверхности, а часть проходит вглубь и последовательно отражается от границ раздела слоев материалов ОК. Если ОК представляет однородную среду, то СШП сигнал отражается только от его передней стенки и задней. Если ОК неоднородный, то в отраженном сигна ($ ле содержится информация о количестве, размерах и качестве слоев ОК или находящихся в нем неоднородностей (пустот, вкраплений и т.п.).
В /39/ представлены результаты измерения ХК дорожных одежд и таких строительных материалов как туф, отделочный кирпич красный, силикатный кирпич и радиопоглощающий материал. Структурная схема экспериментально го лабораторного макета включала формирователь СШП импульсного сигнала, приемник, передающую и приемную антенны, ЭВМ. Принцип обработки отра женного сигнала заключался в измерениях его амплитудно-частотных, фазо А частотных характеристик и цифровой фильтрации сигнала от границ раздела материалов с разными электрофизическими свойствами. Цифровая обработка проводилась на ЭВМ по специально разработанным программам. Длительность зондирующего сигнала составляла 100 пикосекунд, полоса частот определялась диапазоном 1-100 ГГц и мощность сигнала была около 600 Вт. На качествен ном уровне отмечалось влияние толщины, плотности, влажности, диэлектриче ской проницаемости материала на формирование отраженной импульсной реа лизации. Эксперимент показал, что глубина зондирования составляла 30-40 см, разрешение по дальности до 1 см и динамический диапазон измерителя, опре деляемый отношением между максимальным и минимальным уровнями при нимаемых сигналов, составляет 60-80 дб.
В НИИ ПММ создан экспериментальный подповерхностный голографиче ф ский радиолокатор «Раскан», в основу которого заложен принцип многочастот ного зондирования конденсированных сред /40/. Такой радиолокатор предназначен для решения, в том числе, задач контроля качества строительных конструкций и дефектоскопии ПСМ. Он работает на 5-й частотах в диапазоне 1,5 до 2,0 ГГц с автоматическим переключением на ортогональные поляризации. Опыт его использования показал, что прибор может определять конфигурацию различных предметов вмонтированных в бетонные изделия на глубину до 20 # см. Основным недостатком рассмотренных устройств является сложность дос ,. тижения высокого разрешения по глубине.
Для улучшения разрешающих способностей измерительных устройств в /41/ предложено обеспечить сканирование частоты зондирующего сигнала с использованием метода, основанного на анализе S-параметров приемо передающей системы, включая открытое пространство (линию передачи) меж ду антенной и диэлектриком /42/. Основу установки для проведения экспери ментальных исследований составлял СВЧ радиолокатор, работающий в диапа зоне 2-4 ГГц, и состоящий из СВЧ генератора, десятиразрядных ЦАП и АЦП, блока управления и сопряжения с ЭВМ. В качестве передающей и приемной антенны использовались рупорные антенны, а в качестве приемника - детектор СВЧ. Управление частотой СВЧ генератора осуществлялось по программе че рез последовательный интерфейс RS-232. Эксперимент показал высокое разре шение в пределах 5 мм между точками съема для бетонного ОК толщиной 150 мм с вмурованной металлической трубой диаметром 20 мм.
Частотные характеристики также, как и амплитудно-фазовые характеристики СВЧ поля, широко используются для влагометрии, толщинометрии и для контроля электрофизических ХК материалов /43-47/. Влажность, геометрия, электрофизические характеристики материала существенно влияют на их отражающие способности и соответствующие ХК. Поэтому такой ИП, как КО игра-ет существенную роль при использовании радиоволновых методов НК.
В научной литературе существует большое количество публикаций и па ф тентов по методам измерения КО в СВЧ полях и использованию его для НК /48-67/. Большинство методов основано на использовании приближенного им педансного метода. Сущность его состоит в том, что реальная измерительная система, включающая источник СВЧ излучения, ОК и приемник, заменяется моделью в виде линии передачис таким же волновым сопротивлением и разме рами как в реальной системе. В качестве сопротивления нагрузки линии пере дачи принимается сам ОК.
Частотные характеристики СВЧ поля
Рассмотренные в параграфе 2.1 спектральные характеристики ЭМВ или ее аналога зондирующего сигнала были определены без учета поляризации. Вместе с тем, в случае, когда амплитуды и фазы ортогонально поляризованных составляющих изменяются во времени, ЭМВ имеет сложную поляризационную структуру. Годограф вектора напряженности электрического поля ЭМВ будет описывать в этом случае фигуру, отличную от эллипса. Она будет представлять совокупность ЭМВ, поляризация которых образует поляризационный спектр.
Совокупность таких спектральных характеристик ЭМВ с учетом их поляризации будет представлять частотные характеристики СВЧ поля. Таким образом, к частотным характеристикам СВЧ поля относятся спектральные составляющие вектора поляризации, его АЧХ и ФЧХ, а также спектральные характеристики параметров поляризации. По существу, частотные характеристики СВЧ поля представляют математические модели связи амплитуды, фазы, поляризации и частоты ЭМВ.
Вопросам так называемой поляризационной модуляции, где рассматривается возможность получения сложно поляризованного сигнала за счет манипулирования параметрами поляризации, посвящена монография /112/. В нашем же случае интересным является получение математических зависимостей для поляризационных параметров ЭМВ при разложении ее в поляризационный спектр. Для рассмотрения этого вопроса представим сложно поляризованное СВЧ поле комплексной вектор-функцией E(t) временного аргумента t аналогично (2.1.3) Ш=ЦёМУЩ (2.3Л) где et - единичные орты выбранного многомерного базиса разложения, Et (t) - ортогональные составляющие вектор-функции по базисным осям, й)0 - круговая частота колебаний ортогональных составляющих. Если Ei(t) удовлетворяют условиям ортогональности, то их можно представить рядом Фурье (2.1.6) и записать в виде соотношения: п=-со где Ащ - комплексный коэффициент и-го члена ряда разложения /-ой состав ф ляющей вектор-функции, Сп (t) - комплексная функция разложения. С учетом (2.3.2) ЭМВ, имеющая вид (2.3.1), опишется выражением Щ= Т,Я„с„( Ущ , (2-3.3) «=-оо где Нп = eiAn - п-ая векторная спектральная составляющая ЭМВ.
Используя комплексную форму ряда Фурье /113/ для зондирующего сиг ли, нала (2.1.8), можем математически представить ЭМВ равенством Л=-оо Л=-00 J где 6J; - круговая частота колебаний первой гармоники. Составляющая векторного спектра Ап, находится по формуле я/2 1\ -nil (2.3.6) 2л где Тх = период колебаний. со, Представим Ап, действительной и мнимой частью Ап =ап. — jbn,, а E t) запишем в экспоненциальном виде .",.(/)= 2?дПел / . С учетом послед них представлении найдем модуль А и аргумент рп, составляющей Ап,: 9 -arctg— (2.3.7) где і я-// Л -Я-/2 1 72. (2.3.8) [1 -Я-/2
В параграфе 2.2 приведены основные соотношения для поляризационных параметров СВЧ поля. Используя их и приведенные выше соотношения для составляющих векторного спектра, можно найти поляризационный спектр ЭМВ. Задачу нахождения поляризационного спектра ЭМВ можно упростить, воспользовавшись инвариантными признаками поляризации /114/. Инвариантность предполагает независимость поляризационных признаков ЭМВ от выбранной системы координат. Независимо от системы координат поляризацию ЭМВ можно характеризовать вещественным радиус-вектором Щшм&тг (2,.9) где Е (t) - вектор-функция, комплексно-сопряженная E(f). Подставив в (2.3.9) выражение (2.3.1) для вектор-функции E(t) и ее комплексно-сопряженной функции E(t) и выполнив несложные преобразования, найдем: Ш= І Е Л/р4к+" і) + ]- (2.3.11) и=-оо / В том случае, когда ЭМВ распространяется в направлении оси 0Z системы координат XYZ, радиус-вектор R(t) определяется выражением: 00 И=-00 Л-е А СоБ +пю + ср ] } (2.3.12) Выражение (2.3.12), характеризующее сложно поляризованную ЭМВ, по лучено из (2.3.11) путем замены индекса «і» на индексы, соответственно, «х» и «у». Величины А пх Any и (рт, (р являются модулями и, соответственно, аргументами комплексных амплитуд п-й гармоники поляризационно-ортогональных компонент ЭМВ в линейном базисе разложения. Их значения находятся по формулам (2.3.7), (2.3.8) с соответствующей заменой указанных выше индексов. Поляризацию ЭМВ, определяемую радиус-вектором R(t), будем характеризовать параметром у (і), который определяется известным /114/ соотношением
Матрица когерентности, параметры Стокса и степень поляризации частично поляризованных радиоволн
Об отражающих свойствах ПСМ можно судить по КО, измеряемому в линии передачи, нагрузкой которой является этот материал. Информация о КО заложена в амплитудно-фазовых соотношениях падающей на ПСМ и отраженной от него ЭМВ. Эти соотношения для произвольно поляризованных ЭМВ определяются равенствами (4.1.9). Для средств НК интерес представляют также зависимости КО от различных измеряемых параметров ЭМВ в линии передачи. С целью нахождения таких зависимостей воспользуемся моделью, представленной в предыдущем параграфе.
Рассматриваем линию передачи как приемо-передающий канал с ортогонально-линейным разложением ЭМВ. Для рассматриваемого разложения ЭМВ в соответствии с (4.1.5) запишем /124, 136, 139/ E(t,z) = exEnx ґ V . Egx Jlkz ПХ E, \ + ЄуЕпу \ + y-ej2kz ny E, \ J A ot-kz) (4.2.1) Выражение (4.2.1) получено из (4.1.5) путем замены в последнем индексов «1» и «2» соответственно на «х» и «у». По определению, КО в ортогонально-линейных каналах представим равенствами: оу „jlkz ПХ Е. t.(z) = e (4.2.2) пу С учетом (4.2.2) выражение (4.2.1) принимает вид: Полученное выражение свидетельствует о том, что в нем заложена информация об отражающих свойствах ПСМ в виде комплексных КО Tx(z\Ty(z). Эти комплексные КО в приемо-передающих каналах связаны между собой. Действительно, из {А.22) путем несложных преобразований находим: Г =Г -я х X х У . (4.2.3) В выражении (4.2.3) зависимость КО от z опущена в предположении, что расстояния до точек измерения КО в каналах одинаковы. Это также соответствует условиям: г;=г;(о), f,=f,(o) При измерениях, как правило, поляризация падающей ЭМВ известна, т.е. известно гп. Например, для падающей ЭМВ круговой поляризации гп = ±j. Знак зависит от направления вращения вектора напряженности ЭМВ. Для случая круговой поляризации падающей ЭМВ из (4.2.3) получаем зависимость (4.2.4) ro Из соотношения (4.2.3) следует, что модули и аргументы КО, характеризующие отражающие свойства ПСМ в ортогонально-линейных приемопередающих каналах связаны между собой равенствами: Г = Г х \ У\ (4.2.5) (4.2.6) ч х = Уу+(К-ьо\ Из соотношения (4.2.3) также следует, что КО характеризуют деполяризующие свойства ПСМ. Действительно, обозначая за D отношение комплексных КО г, и подставляя его в (4.2.3), получим г, =D K (4.2.7) (4.2.8) Анализ равенства (4.2.8) показывает, что комплексный коэффициент D, определяемый соотношением (4.2.7), является коэффициентом деполяризации падающей волны. Его так же как и коэффициенты Г.,.,Г можно использовать в качестве ИП в средствах НК ПСМ. Введем в рассмотрение обобщенную отражающую характеристику ПСМ комплексный вектор отражения Г. Определим его как Г = ёхГх + ёуГу. (4.2.9)
Координаты вектора Г в (4.2.9) связаны матричным равенством о VoJ (гЛ tfO — У г \l yj (і. \ п VoJ (4.2.10) 134 Равенство (4.2.10) позволяет связать вектор Г с поляризацией падающей и отраженной ЭМВ и представить (4.2.9) в виде: А Ґг/ f" = -гФл + e/J=-г(ехг„ + е/Х или т = лт0, (4.2.11) где rv (4.2.12) о ехГп " " j o (4.2.13) Выражение (4.2.11) показывает, что комплексный вектор отражения Г может быть получен из комплексного вектора Г0 путем изменения его модуля на величину Л либо на величину Я у и поворотом его, соответст венно, на угол \рх — дп либо у) —д0. Комплексный параметр Л, являющийся параметром преобразования вектора Г0, может быть также использован как отражающая характеристика ПСМ. Из (4.2.12) величина, обратная Л, может быть представлена двумя равенствами: где j = fn-Dn, і — = r D Л (4.2.14) 135 A,= = t У J (4.2.15) - коэффициенты трансформации поляризации падающей и отраженной ЭМВ в поляризационно-ортогональных каналах. Сравнивая (4.2.8) и (4.2.14), находим математическую зависимость соответствующих коэффициентов: і (4.2.16) Выражение (4.2.16) устанавливает взаимосвязь отражающих и поляризационных характеристик в приемо-передающем канале, нагруженном на ПСМ. Эта взаимозависимость может быть представлена и другими соотношениями. Рассмотрим их.
Отражающие характеристики плиточных строительных материалов, измеренные в линии передачи
Найденные выше математические зависимости позволяют использовать в средствах НК элементы поляризационных матриц рассеяния ПСМ в качестве ИП. Они являются наиболее универсальной характеристикой поляризационных и отражающих свойств ПСМ.
Выводы
Процесс рассеяния СВЧ поля объектом контроля в средствах НК можно рассматривать как явление интерференции падающей и отраженной ЭМВ в линии передачи, нагрузкой которой является ПСМ. Предложенная модель взаимодействия падающей и отраженной ЭМВ в линии передачи позволяет решать задачу нахождения пространственно-временных характеристик ПСМ методами теории цепей.
Для определения математических зависимостей поляризационных характеристик ПСМ линия передачи должна представлять приемо-передающий канал с поляризационно-ортогональным разложением ЭМВ. Результатом взаимодействия ЭМВ в приемо-передающем канале является суммарная квазистоячая ЭМВ произвольной поляризации. Квазистоячая ЭМВ состоит из бегущей и стоячей ЭМВ, соотношение которых зависит от отражающих характеристик ПСМ. Она также представляет аналитическую зависимость от КО в поляризационно-ортогональных каналах.
Комплексные КО в поляризационно-ортогональных каналах пропорциональны друг другу. Коэффициент пропорциональности равен отношению комплексных коэффициентов ортогонального разложения падающей и отраженной ЭМВ.
Отношение комплексных КО в поляризационно-ортогональных каналах является комплексным коэффициентом деполяризации. Коэффициент деполяризации является важной поляризационной характеристикой ПСМ. Он свидетельствует о величине изменения параметров поляризации СВЧ поля рассеянного ПСМ.
Обобщенной отражающей характеристикой ПСМ служит комплексный вектор отражения. Он функционально зависим от поляризационных характеристик падающей и отраженной ЭМВ и КО в поляризационно-ортогональных каналах.
Поляризационные характеристики ПСМ зависят от его отражающих характеристик и могут быть найдены по результатам измерения КО и КСв в поляризационно-ортогональных каналах.
Рассмотренная модель позволяет судить не только о поляризационных характеристиках ПСМ в линии передачи, но и определять поляризацию СВЧ поля у приемо-передающей антенны. Это является важным фактором не только в задачах НК, но также во многих задачах радиолокации и связи.
12. Из всех рассмотренных характеристик ПСМ, используемых в средствах НК, обобщающей является поляризационная матрица рассеяния.
13. Для определения зависимостей ее элементов от отражающих характеристик ПСМ линию передачи можно представить цепью, звенья которой имеют коэффициенты передач, равные элементам поляризационной матрицы рассеяния.
14. Предложенная модель позволяет использовать найденные зависимости как для определения отражающих характеристик по результатам измерения элементов поляризационной матрицы рассеяния ПСМ, так и наоборот, для определения элементов поляризационной матрицы рассеяния по результатам измерения отражающих характеристик ПСМ.
15. Методика определения различных характеристик ПСМ, основанная на использовании явлений и процессов, происходящих в линии передачи, позволяет вести преобразования и устанавливать зависимости между характеристиками в различных базисах разложения ЭМВ.
16. Найденные в главе зависимости между амплитудно-фазовыми отражающими и поляризационными характеристиками ПСМ в линии передачи являются математическими моделями для построения радиоволновой системы НК по пространственно-временным характеристикам СВЧ поля.
