CC BY
172
УДК 534.86 ББК 32.87
МОДЕЛЬ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ЭХОЛОКАТОРА С ФАЗИРОВАННОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКОЙ ДЛЯ СПЕЦПРАКТИКУМА ПО РАДИОФИЗИКЕ
С.И. Муякшин, к.ф.-м.н., доц. каф. Радиотехники Тел.: (831) 465-60-02; E-mail: serg_mun@list.ru Нижегородский государственный университет им Н.И. Лобачевского
http://www.unn.rf.ru
The compact physical model of the ultrasound echo locator is described. With help of the phased array the parallel sector scanning is realized in the model. The digital processing is carried out with help of the virtual programme designed in the graphical programming language LabVIEW. This model is applied within the fraim of special practical course on radiophysics and as a visual aid for studying the "Remote sensing of objects of an environment" course.
Описана компактная физическая модель ультразвукового эхолокатора. В нем использована фазированная антенная решетка, за счет чего реализован параллельный секторный обзор пространства. Цифровая обработка выполняется с помощью программы, разработанной в графической среде программирования LabVIEW. Модель применяется для выполнения лабораторной работы в рамках спецпрактикума по радиофизике и как наглядное пособие при изучении курса «Дистанционное зондирование объектов окружающей среды».
Ключевые слова: радиоэлектронные системы, физическое моделирование, эхолокация, ультразвук, фазированная антенная решетка, графическое программирование, специальный лабораторный практикум, радиофизика.
Keywords: electronically system, physical modeling, echosounding, ultrasound, phased array, graphical programming, special practical education, radiophysics.
1.Введение
Для повышения уровня подготовки научных работников по специальностям «Радиофизика» (010800), «Радиофизика и электроника» (010801), «Фундаментальная радиофизика и физическая электроника» (010802), а также инженеров по специальностям «Проектирование и технология радиоэлектронных средств» (210201) и «Радиоэлектронные системы» (210304) необходимо знакомить студентов с основными принципами построения сложных радиотехнических систем. Объединяя в себе типичные элементы таких систем, устройство дистанционного зондирования (см. Приложение) является подходящим объектом для этой цели. При этом, по мнению автора, желательно не ограничиваться только теорией и столь модным ныне виртуальным моделированием, а раскрывать на практике сам процесс создания такой системы, начиная с выбора общих технических решений и закан-
чивая испытанием готового устройства.
В статье предпринята попытка описать ход разработки компактной физической модели ультразвуковой системы дистанционного зондирования с фазированной антенной решеткой (ФАР) и продемонстрировать полученные результаты.
Установка была разработана с участием студентов на основе оборудования американской фирмы National Instruments (NI) и модулей в стандарте NI SCXI для макетирования ультразвуковых контрольно-измерительных систем [1]. Программное обеспечение было написано в среде графического программирования NI LabVIEW 8.5 [2]. Описанная физическая модель используется для выполнения лабораторной работы в рамках спецпрактикума по радиофизике и в качестве наглядного пособия при чтении спецкурса «Дистанционное зондирование объектов окружающей среды».
2. Физическая модель акустического локатора с параллельным обзором пространства
2.1. Обоснование принципов построения модели
Эхолокация как метод дистанционного зондирования может быть осуществлена на основе различных физических принципов
[3,4]. Проще всего в лабораторных условиях реализовать акустический эхолокатор. Это можно сделать в воздухе, в воде или в твердом теле.
В данном случае был выбран последний вариант, т.к. в распоряжении разработчиков имелась малогабаритная пьезоэлектрическая ФАР, предназначенная для работы с металлом или другим твердым телом. Рабочая частота решетки /0 =1,02 МГц. Она состоит из 16 полосок шириной й=0,8 мм, нарезанных из цельной пьезокерамической пластины шириной 9 мм и длиной 12,8 мм. Для оцифровки сигналов мы располагали 8- канальным модулем аналого-цифрового преобразователя. Он имеет разрядность 12 бит и способен оцифровывать сигналы с частотой дискретизации до 50 МГц с одновременным запуском всех 8 АЦП. Таким образом, без усложнения схемы макета у нас была возможность использовать только 8 элементов решетки. Поэтому апертура ФАР, которую можно было реализовать, составила 6,4 мм. По приближенной формуле 866 = X / В (В -апертура антенны, X - длина волны) нетрудно оценить ширину главного лепестка диаграммы направленности (ДН). Если бы мы попытались использовать в качестве среды распространения волн сталь, где при скорости звука Сзв=5200 м/с длина волны составит X = Сзв / /0 = 5,2 мм , то получили бы
угловое разрешение не лучше 30о-40о. Поэтому для моделирования исследуемой среды была использована пластина из оргстекла, в котором скорость звука и длина волны ниже и составляют Сзв=2800 м/с и Х=2,8 мм. Пластина имела размер 295 х 170 х 18 мм, в ней были просверлены отверстия, имитирующие неоднородности (см. ниже и рис. 4).
Итак, для приема сигналов использовалось 8 полосок решетки, что дало приемную апертуру В„р=6,4 мм. Для облучения использовались 3 параллельно соединенных полоски (апертура Визл=2,4 мм). Применение для подсветки неоднородностей и приема эхо-сигналов отдельных секций ФАР позволило упростить схему установки, отказавшись от антенного коммутатора.
В таблице показаны границы дальней зоны R = В2 / X и полуширина ДН для решетки в поперечном направлении и для излучающей и приемной секций решетки в плоскости пластины. Собственные колебания в антенне маскировали сигналы вплоть до дальности Л=45 мм. Поэтому было сочтено целесообразным сформировать ДН в
дальней зоне, расположив там же и отверстия. Два отверстия диаметром 4,4 мм были просверлены на расстоянии 67 мм от грани, на которой помещалась антенна. Расстояние между ними было выбрано 40 мм, что теоретически должно было обеспечить их раздельное наблюдение на плоскости угол-дальность (см. табл.).
Таблица
Попе- Продольное сечение
речное Ани=2,4
сечение мм мм
Д=9мм
Дальняя 29 2мм 15мм
зона мм
Полуширина ДН 85: 30,6е 12,6е
2.2. Алгоритм обработки сигналов
Основной целью данной работы было реализовать параллельный секторный обзор области перед ФАР, где располагались неоднородности. Для формирования веера лучей нами был использован общеизвестный алгоритм, заключающийся в суммировании принятых сигналов, в которых предварительно скомпенсированы задержки прихода на приемные элементы (см.рис.1).
На расстояниях, удовлетворяющих условию дальней зоны R >> В2 / X , при ориентации луча под углом 9 относительно нормали к антенне выражение для задержки сигнала на п-м элементе имеет вид: М = п • й • вт(0)/Сзв,
где й - шаг между элементами; Сзв - скорость звука в среде.
Задавшись шагом по углу А9 и максимальным углом обзора 9тах, можно оценить минимальную величину задержки (или шаг, с которым она должна изменяться):
М . = й•№• 008(6* )/С .
шт V ^шах/ зв
Если 9тах=45°, А9=3°, а другие величины имеют приведенные выше значения, получим Атп=0,0106 мкс. Это означает, что для прямой реализации операции сдвига во временной области необходим период квантования гх меньший этой величины, что соответствует частоте квантования превышающей 95 Мгц. При несущей частоте около 1 МГц и длительности импульса 1-3 периода эта величина заведомо избыточна. Фактически использовалась частота квантования 7=10 МГц. Поэтому в программе обработки применялась 8-кратная интерполяция с помощью дополнения нулями комплексного
дискретного преобразования Фурье сигналов.
Таким образом, период квантования после интерполяции составил г5=0,0125 мкс. Временные сдвиги эхосигналов, принятых элементами антенны, и их суммирование по элементам также осуществлялись в спектральной области. Принимая во внимание сказанное выше, выражение для спектра сигнала, полученного в результате компенсации задержек и суммирования и, следова-
Линии задержки
Шаг
ФАР
тельно, пришедшего под углом записать в виде:
можно
-2жтк
где 5; - комплексная спектральная амплитуда сигнала с п-го элемента решетки на к -й частоте; п=-3...4 - номер элемента решетки; т=-20...20 - индекс угла; к=0...К-1 -индекс частоты; К - число отсчетов в спектре после дополнения нулями.
Рас с ей вате ль (неодн ородностъ среды)
Фронт рассеянной волны
•55 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30
Рис.1. Схема формирования диаграммы направленности с помощью ФАР
Угол, град
Рис.2. Панорамное изображение неоднородностей
К
е
3
п
-55 -40 -20 0 20 Угол
Рис.З. Распределение интенсивности по углу
12.5 Дальность
Рис.4. Распределение интенсивности по дальности
Рис. 5. Блок-схема модели системы дистанционного зондирования
Рис.6. Общий вид установки
Предложенный подход позволяет проектировать распределенные тренажерные системы практически любой сложности, с возможностью одновременной работы большого количества пользователей, выполняющих различные функции.
В этом случае угол прихода сигнала определяется по формуле
6т = аГС8Ш(Х • т • Сзв / й).
Временная реализация сигнала, принятого с заданного направления 9т, восстанавливалась с помощью комплексного обратного дискретного преобразования Фурье (ОДПФ) от суммарного спектра. Поскольку входные сигналы (во временной области) были действительными, в качестве выходного сигнала бралась действительная часть ОДПФ ю
Отметим, что мнимая часть ОДПФ на практике была много меньше действительной (по модулю), что послужило хорошим промежуточным критерием работоспособности использовавшегося алгоритма.
Интенсивность эхосигнала (квадрат его огибающей) вычислялась по формуле
Ет (Ь )2 = 1т & )2 + (¿1 )2, где -преобразование Гильберта от
сигналаЮ
Дальность рассчитывалась по формуле ^ = ^ • С в/2 = I т • Сзв/2, где I - номер временного отсчета после ОДПФ (величины I и взяты с учетом интерполяции).
Распределение интенсивности эхосиг-нала Ет (^ )2 по плоскости угол 9т - дальность Rl является основным результатом работы макета. Оно должно отображать неоднородности в области обзора ФАР.
2.3. Результаты проверки работоспособности установки
Для иллюстрации работоспособности системы приведем панорамное изображение двух отверстий в координатах угол-дальность (рис.2) сечения через максимумы по углу (рис.3) и дальности (рис.4).
Изображение получено, когда антенна располагалась симметрично относительно отверстий. Ширина откликов по углу хорошо согласуется с оценками, приведенными в табл. Временной отклик растянут, что можно объяснить расходимостью луча в плоскости, перпендикулярной плоскости пластины. При перемещении антенны относительно отверстий можно было наблюдать, как сначала появляется изображение одного отвер-
стия, затем это изображение смещается по направлению к антенне, рядом с ним на большей дальности появляется изображение второго отверстия, затем изображения обоих отверстий занимают положение, показанное на рис.2. При дальнейшем сдвиге антенны изображение меняется в обратном порядке.
2.4. Краткое описание установки, оборудования и программного обеспечения
Блок-схема установки показана на рис.5. Она включала пластину из оргстекла, установленную вертикально на основании, ФАР, шасси с модулями и встроенным компьютером и дисплей. Фазированная решетка пружинами прижималась к полированной поверхности длинной грани пластины и могла вручную перемещаться по направляющей. Акустический контакт осуществлялся через слой силиконового масла. Для формирования импульсов излучения и их усиления были применены «Формирователь импульсных последовательностей» и «Усилитель импульсных последовательностей». С «Усилителя» двухполярные радиоимпульсы с размахом 50 В подавались на излучающие элементы ФАР. «Усилитель» получал питание от «Управляемого источника питания». «Формирователь» и «Источник питания» управляются программно по шине USB.
Все эти модули разработаны фирмой «ООО ДСП-софт» (г.Нижний Новгород). Они выполнены в стандарте NI SCXI и подробно описаны в [1]. Непосредственно с 8 приемных элементов ФАР эхосигналы подавались на модуль NI PXI-5105, который осуществлял их преобразование в цифровые последовательности. Модули NI SCXI были установлены в соответствующую секцию комбинированного шасси NI PXI/SCXI1050. В другой секции размещались встроенный компьютер NI PXI8196 и 8- канальный АЦП NI PXI5105.
Обработка сигналов осуществлялась в цифровой форме с помощью программы, написанной в среде LabVIEW 8.5. Описанный в предыдущем разделе алгоритм был реализован с помощью встроенных в LabVIEW функций прямого и обратного быстрого дискретного преобразования Фурье. Для упрощения программы результаты не пере-считывались в полярную систему координат, а отображались в декартовых координатах угол-дальность.
На рис.6 показана фотография установки. На дисплее видна передняя панель программы - виртуального прибора, разработанной в графической среде Lab VIEW. На врезке показан вид ФАР со стороны активной поверхности.
3. Заключение
Описанный выше макет используется в качестве лабораторной работы в составе спецпрактикума по радиофизике, а также как наглядное пособие в процессе изучения студентами и магистрантами радиофизического факультета спецкурса «Дистанционное зондирование объектов окружающей среды». Его предполагается модифицировать в ходе выполнения курсовых и дипломных работ. Цель модификации - расширение возможностей управления диаграммами направленности излучения и приема, а также отображения данных.
Приложение
Для получения информации об окружающей среде широко используются активные системы дистанционного зондирования (ДЗ). Спутниковые и авиационные радиолокаторы применяются для измерения возмущений уровня океана, изучения поверхностного волнения, а также проявлений на поверхности океана процессов, протекающих в его глубинах (течений, внутренних волн) [3].
Ультразвуковые гидролокационные системы используются в морском деле и океанографии для профилирования дна, поиска и идентификации объектов (от подводных лодок до мельчайших живых организмов), измерения скорости течений [4].
Несмотря на то, что в системах ДЗ используются разные виды волн, в их устройстве много общего. В современных системах ДЗ очень широко используется цифровая обработка сигналов. Сигналы управления, излучаемые (зондирующие) сигналы формируются компьютером в цифровой форме, а принятые сигналы после фильтрации и усиления с помощью аналого-цифровых преобразователей (АЦП) преобразуются в потоки цифровых данных, с которыми также работает компьютер. Неисчерпаемые возможности компьютерной техники в области хранения и визуализации данных позволяют реализовать любые фантазии разработчиков и удовлетворить самых взыскательных пользователей.
Важнейшим элементом системы ДЗ является антенна. С ее помощью излучение концентрируется в определенном направле-
нии. Угловое распределение излучения в дальней зоне, где выполняется условие
Я •Х/В2 >> 1, где
В - апертура антенны, Я - расстояние до объекта, X - длина волны, называют диаграммой направленности (ДН). Элементарная оценка разрешающей способности антенны по углу (или ширины главного лепестка ДН) дается формулой:
86 = Х/ В.
За счет движения антенны (линейного перемещения, вращения) осуществляется обзор пространства, что позволяет решить основную задачу ДЗ - получить картину распределения объектов зондирования или каких-либо свойств среды (скорости течения, шероховатости поверхности моря и т.д.) в пространстве.
Еще в первой половине прошлого века была реализована на практике идея немеханического управления лучом антенны [5]. В настоящее время такие антенны, выполненные в виде фазированных антенных решеток (ФАР), получили самое широкое распространение. Управление лучом ФАР осуществляется за счет изменения распределения фаз излучаемых сигналов по элементарным антеннам, образующим решетку. При работе системы на прием в принятые сигналы должен быть введен соответствующий фазовый сдвиг или временная задержка.
Все более широкое распространение ФАР в технике ДЗ объясняется не столько упрощением конструкции системы в целом за счет исключения механического привода, сколько возможностями качественного улучшения ее характеристик. Перечислим только некоторые из них.
1) Реализация параллельного обзора пространства за счет одновременного формирования целого «веера» узких лучей. Такие антенны применяются в современных батиметрических эхолотах для одновременного измерения глубины в полосе, перпендикулярной продольной оси судна. Длина этой полосы может достигать 2-4 глубин.
2) Снижение уровня боковых лепестков.
3) Стабилизация ДН излучения и приема при угловых колебаниях носителя.
Как пишет автор книги [5], ФАР с элементами формирования лучей становится первым звеном системы обработки, осуществляющим угловую фильтрацию принятых сигналов. Его характеристики определяют сектор обзора и угловое разрешение. Разрешение по дальности реализуется за счет применения импульсных зондирующих сиг-
налов и согласованной фильтрации. Как не минимальной длины волны, которая мо-правило, расстояние между отдельными жет использоваться для зондирования. элементами ФАР выбирают равным полови-Литература
1. Муякшин С.И., Штернов А.А. Функциональные модули в стандарте NI SCXI для ультразвуковых контрольно-измерительных систем // Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments: Сб. тр. Междунар. научн.-практич. конф. - М.: РУДН, 2007.
- С.51-58.
2. Трэвис Дж., Кринг Дж. LabVIEW для всех. - М.: ДМК Пресс, 2008. - 880 С.
3. Дистанционное зондирование в метеорологии, океанографии и гидрологии/ Под ред. Крэнкелла.
- М.: Мир, 1984.
4. Клей К., Медвин Г. Акустическая океанография: основы и применения. - М.: Мир, 1984.
5. Вендик О.Г., Парнес М.Д. Антенны с электрическим сканированием (Введение в теорию)/Под ред.чл.-корр.РАН Л. Д.Бахраха. - М.:Сайнс-Пресс, 2002. - 232 с.
УДК 004.94
УЧЕБНО-НАУЧНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО АВТОМАТИЗАЦИИ ЭКСПЕРИМЕНТОВ КАФЕДРЫ ФИЗИКИ КОНДЕНСИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ
М.И. Малето, в.н.с.
Е.Ф. Певцов, доц., А. С. Сигов, чл.-корр. РАН, зав. каф.
Кафедра Физики конденсированного состояния
Тел.: (495)-433-00-44; E-mail:pevtsov@mirea.ru Московский государственный институт радиотехники электроники и автоматики
(технический университет) http://www.eks.fel.mirea.ru
The article summarizes condensed state physics Department of Moscow State Institute of Radioengineering, Electronics & Automation (Technical University) research team experience in introducing the concept of virtual devices in the systems of data collecting and processing in the practical course of physical experiments automation. As a special feature of this educational method, the knowledge in Laboratory Virtual Instrument Engineering acquired by students during studying of this basic discipline is being used in practical research. Examples of the research projects are the following: ferroelectric physics research, CCD final inspection, and medical physiology research. These researches were supported by Federal Educational Agency (project 2.2.1.1/2411).
В статье обобщен опыт работы кафедры Физики конденсированного состояния Московского государственного института радиотехники, электроники и автоматики (МИРЭА) по внедрению концепции виртуальных приборов в системах сбора и обработки данных в практикуме по автоматизации физического эксперимента. Особенность методики обучения заключается в том, что знания, приобретенные при изучении этой базовой дисциплины, применяются затем для закрепления умений и навыков при выполнении реальных научно-исследовательских проектов. Приведены примеры таких разработок в исследованиях физики сегнетоэлектриков, в выходном контроле CCD и в медико-физиологических исследованиях. Работа выполнена при поддержке Федерального агентства по образованию (проект №2.2.1.1/2411).
Ключевые слова: системы сбора и обработки данных, виртуальные приборы, комплекс оборудования для исследований сегнетоэлектрических пленок.
Keywords: Data collecting systems, Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench, Multifunctional measuring system for investigation of ferroelectric thin films.
