CC BY
18
УДК 621.319.53
А.В. Никонов, Г.В. Никонова
Омский государственный технический университет, г. Омск
ФОРМИРОВАНИЕ СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫХ СИГНАЛОВ С УПРАВЛЯЕМОЙ ФОРМОЙ
В настоящее время сверхширокополосная (СТТТП) радиолокационная интроскопия используется для обнаружения, идентификации, определения местоположения и классификации объектов и подповерхностных отражающих слоёв, находящихся в диэлектрическом слое [1] с ярко выраженным затуханием и дисперсией (как рассеивание). Сверхширокополосность характеризуется длительностью сигнала в пространстве: это произведение длительности сигнала г и скорости V электромагнитной волны в среде, которое намного меньше, чем размер излучающей апертуры (раскрыва антенны) или размер объекта Д отражающего сигнал (Б>>уг).
Задача задания формы напряжения, возбуждающего антенну, является актуальной, так как в ней должны быть обеспечены требования и по созданию воздействий с большой амплитудой, и высокие требования по временной стабильности (в том числе, когерентности). Основные формы сигналов, возбуждающих антенну, это видеоимпульс, перепад и СТТТП импульс. Способы формирования таких сигналов существенно различаются. Кроме того, вычисление операций интеграла и производной от отклика на эти СТТТП сигналы сложны и изменяют и форму сигнала, и его показатель широкополосности [2].
Также метрологические характеристики средств атомно-эмиссионного спектрального анализа, являющегося высокочувствительным методом определения химических элементов в объектах контроля, в большой степени определяются нестабильностью тока спектрального генератора [3], формируемого обычно искровым генератором спектра. Вместе с этим следует
338
отметить важность решения поставленной проблемы в рамках концепции выделения из помех и распознавания слабых сигналов от объектов с эффективной поверхностью рассеивания
0,01-0,005 м на основе использования сложных широкополосных и сверхширокополосных сигналов.
Эффективный ток (излучаемое поле) зависит от формы СТТТП сигнала, возбуждающего апертуру антенны, и изменение формы эффективного тока и показателя широкополосности антенны (уменьшение до 50 % при сигнале «моноцикл» и укорочение средней длины волны) является следствием формы возбуждающего сигнала [2]. Это ведёт к увеличению размеров антенны.
Новые исследования в области средств и методик измерения электрических параметров стадий процесса микроплазменного оксидирования, выявленные методологические положения в плане создания новых технических решений для средств измерений электрических параметров процесса в импульсном режиме, привели к появлению методов и алгоритмов восстановления электрических параметров микроплазменного процесса, основанных на анализе формы энергетического воздействия и отклика на него [4]. Обеспечение этой технической области способами создания управляемых по параметрам импульсов позволяет изучать кинетику и механизм процессов формирования покрытия в зависимости от режимов зоны приложения энергии высокой плотности, природы и состава фаз микроплазменного процесса. Технологии формирования покрытия с заданными свойствами и возможностью оценки качества требуют энергетического воздействия импульсов большой амплитуды (100-1000 В) и управляемой формы. Этим обеспечивается реализация микроплазменного процесса в реальном масштабе времени, в широком динамическом диапазоне (ДД) и с высоким разрешением по напряжению при значительной скорости его изменения (до 108 В/с) [4].
Таким образом, можно считать, что разработка способа формирования СТТТП сигнала с
управляемой формой позволит найти оптимальное решение как для достижения максимальной эффективности использования антенн в СШП приложениях, так и для подбора и регулирования необходимого варианта сигнала для воздействия на объект. В [5] дан способ реализации формирования импульса путём суммирования трёх линейно изменяющихся сигналов, сдвинутых во времени. В способе заложены следующие возможности: задание моментов, определяющих начало и конец импульса; задание крутизны линейных сигналов, определяющих длительность фронта и среза; задание момента времени, определяющего амплитуду импульса; задание длительности импульса.
Высокоточное задание моментов времени реализует фазовая система. В то же время, полоса сумматора сигналов определяется спектром пилообразных колебаний. Амплитуды гармоник спектра убывают обратно пропорционально их номеру, т. е. при частоте следования 50 МГц и ограничении ширины спектра на уровне 1 %, широкополосность трактов передачи сигналов и сумматора должна достигать 5 ГГц.
Регулирование амплитуды импульсов возможно различными способами, но область их применения ограничивается высокой тактовой частотой, требуемым малым временем установления амплитуды, обеспечением заданных длительностей фронта и среза, малым дискретом и большим ДД регулирования. Формирование СШП сигнала и установка его амплитуды упрощается, при сохранении быстродействия и точности, если использовать гармонический сигнал в качестве опорного в формирователе с УВХ. У скоростных УВХ на основе арсенида
галлия при времени хранения до двух микросекунд, спад вершины менее 1 %, и при времени хранения 10-20мксспад менее 5 %.
Улучшение точности хранения возможно за счёт применения специализированных стробоскопических УВХ на основе стробпреобразователя с обратной связью (СПОС). Зафиксировав на первом этапе номинальный уровень выходного напряжения, получаемый считыванием точно известного амплитудного значения гармонического сигнала, далее необходимое значение сигнала устанавливается путём фазового считывания.
Целесообразность такого решения определяется потенциальным быстродействием; широким диапазоном частот следования импульсов; работой в положительной и отрицательной, или обеих, областях напряжения; регулировкой длительности импульса в широком диапазоне с шагом, равным периоду гармонического сигнала; возможностью регулировки длительности фронта и среза; малым спадом плоской вершины импульса. Реализацию способа можно упростить, если, зафиксировав временное положение стробимпульса, управлять фазой гармонического сигнала. Структура устройства приведена на рисунке. Формирование реализуются за счёт узлов с фазовой синхронизацией: ФАПЧ в синтезаторе частоты 1 и в схеме сравнения частот 10, и системы автоподстройки фазы (АПФ) 8. СтробУВХ 3 имеет коэффициент передачи, равный единице.
339
2
3
/В
и
с
/ 1
з(0
ф 8
#
ф
выход
ит
V
000
9
5
мих
калибровка
6 V 10
=/=
управл.
Структура формирователя импульсов с фазовым считыванием
Значения систематической (при доверительной вероятности 0,99) и случайной составляющих погрешности не превышают 1,0 % и 0,4 % (СКЗ). Относительный метод, используемый в такой системе, позволяет избавиться от погрешностей за счёт неравномерности АЧХ и рассогласования по выходу. Сделана оценка таких параметров, как нелинейность амплитудной характеристики (АХ) при считывании с помощью СПОС, ограничение ДД, влияние час-
340
тотозависимых факторов. Выводы по оценке линейности АХ получены с использованием
безынерционной эквивалентной схемы нелинейных элементов, что справедливо для современных быстродействующих диодов. Результаты оценки позволяют производить оптимальный выбор параметров по соотношению между вносимой амплитудной погрешностью и уровнем сигнала; формой импульсов.
Важность точной установки момента считывания входного сигнала в способе вытекает из его физической сути. В системах АПФ важно минимизировать погрешность преобразования по фазе, вносимую преобразователями частоты, что достигается выбором рабочего участка преобразователя, исходя из отношения значений сигналов на входах. Определено ограничение точности из-за нелинейности АХ ключей УВХ, воздействия на запоминающее устройство широкополосной помехи, неравномерности АЧХ. Влияние этих факторов можно минимизировать формированием управляющих (стробирующих) импульсов с регулируемыми параметрами - длительностью, коэффициентом формы, амплитудой [5].В описанном способе формируемый импульс рассматривается как периодический с периодом Т, описывае-
мый функцией: ^----
1-*.
%
|где О>0;итя, Т$, а - амплитуда, длитель-
ность и коэффициент формы импульса.
Произведена оценка амплитудной погрешности стробУВХ пикосекундного диапазона. В отличие от известных решений, в СПОС значительный дозаряд запоминающего устройства, что обуславливает его амплитудные свойства. Результаты решения нелинейного дифференциального уравнения (численным методом), где изменение переменной не является малой величиной, позволили и определить амплитудную погрешность стробУВХ, и оценить их применение в режиме многократного считывания. СтробУВХ будет вносить очень малую погрешность за счёт появления свойства автостабилизации нелинейности АХ.
Библиографический список
1.Хармут, Х.Ф. Несинусоидальные волны в радиолокации и радиосвязи: пер. с англ. / Х. Ф. Хармут. - М.: Радио и связь, 1985. - 376 с.
2. Вопросы подповерхностной радиолокации :монография / под ред. А.Ю. Гринёва. -М.: Радиотехника, 2005. - 416 с.
3. Кузнецов, А. А. Исследование факторов, влияющих на результаты измерения интенсивностей при спектральном анализе материалов / А.А. Кузнецов, О.Б. Мешкова, В.А. Слеп-терев // Омский научный вестник. Серия Приборы, машины и технологии.- 2011. - № 3(103). - С. 242-245.
4. Формирование наноструктурных неметаллических неорганических покрытий путём локализации высокоэнергетических потоков на границе раздела фаз / А. И. Мамаев[и др.]. -Томск: Изд-во Том.ун-та, 2010. - 360 с.
5. А.с. 1596260 А1 СССР, МКИ О 01 Я 13/22. Прецизионный стробоскопический преобразователь/ А.В. Никонов, Л.С. Субботин.- № 4441924/24-21; заявл. 15.06.88; опубл. 30.09.90, Бюл. № 36.
