Фрактальность процедуры роста квазикристаллического паркета Пенроуза Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ДИСТАНЦИОННЫЕ

МЕТОДЫ,

ТЕХНИЧЕСКИЕ

СРЕДСТВА

И АЛГОРИТМЫ

В ПРИКЛАДНЫХ

ЗАДАЧАХ

ИССЛЕДОВАНИЯ

ПРИРОДНЫХ СРЕД

МОСКВА ИЗДАТЕЛЬСТВО А

«ГОРНАЯ КНИГА»

2014

УДК 502:303.4 Б 51

Книга соответствует «Гигиеническим требованиям к изданиям книжным для взрослых» СанПиН 1.2.1253-03, утвержденным Главным государственным санитарным врачом России 30 марта 2003 г. (ОСТ 29.124—94). Санитарно-эпидемиологическое заключение Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека № 77.99.60.953.Д.014367.12.13

Бернавская М.В., Стаценко В.Н., Горовой С.В., Аксенов В.П., Кантур В.А., Петросьянц В.В., Ломакин А.Ф., Стеценко Г.А., Школьный С.И., Сошина Н.С., Гарасев И.В., Ким А.В., Надымов А.В., Орощук И.М., Сучков А.Н., Василенко А.М., Родионов А.Ю., Кулик С.Ю., Стаценко Л.Г., Пуговкина О.А., Б 51 Унру П.П., Титов П.Л., Щеголева С.А., Буренин А.В.,

Моргунов Ю.Н., Волков П. А., Короченцев В.И., Волкова А.А., Стробыкин Д.С.

Дистанционные методы, технические средства и алгоритмы в прикладных задачах исследования природных сред: Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). Отдельные статьи (специальный выпуск). — 2014. — № 12. — 180 с.— М.: Издательство «Горная книга».

ISSN 0236-1493

Представлены материалы научных исследований, по приоритетным направлениям Программы развития ДВФУ и Программы повышения конкурентоспособности ДВФУ среди ведущих мировых научно-образовательных центров на 20132020 гг. и поддержанных Министерством образования и науки РФ «Госзадание № 11-41». Рассмотрены вопросы, относящиеся к дистанционным методам исследования морской среды, мониторинга состояния водной поверхности. Исследованы вопросы проектирования каналов связи, повышения их эффективности. Уделено внимание проблемам экологической безопасности.

Сборник будет полезен техническим работникам занимающимся вопросами дистанционного зондирования природных сред, а также студентам и аспирантам.

УДК 502:303.4

ISSN 0236-1493 © Коллектив авторов, 2014

© Издательство «Горная книга», 2014 © Дизайн книги. Издательство «Горная книга», 2014

УДК 621.187.7: 662.61-634.2 © М.В. Бернавская, В.Н. Стаценко, 2014

КОМПЛЕКСНОЕ РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ АВТОНОМНЫХ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ

Эксплуатация судов и автономных гидротехнических сооружений связана с экологической проблемой сброса нефтесодержащих и сточных вод в водную среду, а также выброса токсичных газов в воздушную среду. Решение проблемы снижения токсичности газовых выбросов от судовых энергетических установок возможно осуществить с помощью различных мероприятий. Для судовых условий с высокими требованиями к массе и габаритам установок, минимальным запасам реагентов и другими специфическими показателями наиболее оптимальными необходимо признать мокрые методы очистки выхлопных газов. Для этой цели нами разработано несколько конструкций жидкостных нейтрализаторов, основанных на контакте очищаемых газов с вертикальной нисходящей или восходящей пленкой жидкости. Схема переработки сточных вод может быть представлена с помощью выпарного аппарата, где происходит их глубокое упаривание до кратности 10...20. Огневое обезвреживание остатков сточных и нефтесодержащих вод производится сжиганием их в топках паровых котлов в виде водотопливных эмульсий. Предложенная схема комплексного совершенствования экологической безопасности судовых энергетических установок возможно применять на крупных судах с развитой системой энергообеспечения и большим экипажем (плавбазы, пассажирские суда, морские добывающие платформы).

Ключевые слова: суда, автономные гидротехнические сооружения, экологическая проблема, сброс нефтесодержащих и сточных вод, выброс токсичных газов, жидкостные нейтрализаторы, выпарной аппарат, остатки сточных и нефтесодержащих вод, сжигание в топках паровых котлов, во-дотопливные эмульсии.

Эксплуатация судов и автономных гидротехнических сооружений связана с экологической проблемой сброса нефтесодержащих и сточных вод в водную среду, а также выброса токсичных газов в воздушную среду. Так наши испытания различного оборудования на промысле в море на рыбообрабатывающих плавбазах типа «В.Чернышев», «Пищевая индустрия» и других (с экипажем в 300-500 чел.) показали, что накопление нефтесодер-

жащих вод на судне может составлять до 30-50 т/сут (при содержании нефтепродуктов 200-500 мг/л и солесодержании 1-5 г/л), сточных вод (фановых, мытьевых и технологических) в сумме -до 140-170 т/сут. [1].

Твердые отходы образуются в процессе эксплуатации судовых механизмов и производственных установок (ветошь, фильтры, древесина, шлам нефтепродуктов после сепарации и др.), а также в процессе жизнедеятельности экипажа и пассажиров (бумага, тряпки, упаковка, пищевые отходы). Объем производственных отходов зависит от мощности энергетической установки и технического состояния механизмов. На пассажирском судне с экипажем до 400 чел. накопление твердых бытовых отходов может составлять до 150 кг/сут., пищевых - до 250 кг/сут., а всего с производственными отходами - до 420 кг [2].

Эти данные могут быть использованы для оценки количества сбросов жидких и твердых отходов в морскую водную среду автономных морских гидротехнических сооружений.

В настоящее время одним из эффективных методов снижения загрязнения окружающей среды является нормирование выбросов и сбросов. Мировое сообщество уже в 1954 г. (и затем в 1973 и 1978 гг.) установило ряд требований (Международная конвенция по предотвращению загрязнения с судов МАРПОЛ 73/78), регламентирующих нормы сброса с судов нефтесодержа-щих и сточных вод, а также мусора. В 1997 г. введено еще одно приложение (Приложение VI) к этой конвенции — «Правила предотвращения загрязнения воздушной среды с судов». Этим документом устанавливаются нормы и требования, направленные на предотвращение загрязнения с судов озоноразрушающими веществами, окислами азота, окислами серы и летучими органическими соединениями.

Особый интерес вызывают выбросы токсичных составляющих выхлопных газов судовыми энергетическими установками (СЭУ) в атмосферу. В связи с общим ухудшением чистоты атмосферного воздуха и особенно в местах интенсивного скопления судов (порты, проливы, места добычи нефти и газа и др.) в последнее десятилетие начались работы по разработке нормативов для токсичных выбросов в атмосферу с судов. Особенно заинтересованными оказались прибалтийские скандинавские государст-

ва (Финляндия, Норвегия и др.), подверженные воздействию кислотных дождей. Для судовых энергетических установок нормативные документы по выбросам находятся в стадии рассмотрения различными сторонами и последующего их утверждения.

Международной Морской Организацией (1МО) предложено Международное соглашение по ограничению выброса с выхлопными газами судовых дизелей оксидов азота (N0,) [3]. Количественно это ограничение Спр (г/кВт-ч) определяется частотой вращения вала п (об/мин) двигателя:

— для ДВС с п < 130

— для 130 < п < 2000

С = 17-

пр

Спр = 45 • пч Спр = 9,84

(1)

— для п > 2000

Предлагается ввести эти ограничения на выбросы только для новых судов, входящих в эксплуатацию после 2001 г.

Представленные нормативы показывают, что наиболее высокие требования предъявляются для быстроходных ДВС (рис. 1), которые имеют значительную токсичность выхлопных газов и используемых чаще в качестве главных двигателей в прибрежной зоне и в портах. В качестве вспомогательных (дизель-генераторов) такие двигатели также интенсивно используются на гидротехнических сооружениях. Т.е. они интенсивно загрязняют атмосферу и требуют большего внимания к очистке газов.

Для прибрежных территориальных вод Калифорнии разработано два региональных предложения по регулированию выбросов N0х с судовых двигателей. Калифорнийским Департаментом воздушных ресурсов (САКВ) предлагается производить ограничение выброса N0х в количестве 600 ррт при 15 % содержании в газах О2 для вспомогательных двигателей и новых судов. Для существующих судов предлагается ограничение в выбросе 750 ррт (при 15 % О2) для вспомогательных двигателей и 600 ррт (при 15 % О2) для главных ДВС. При

N0

г/кВт ч

20

16

12

500

1000 1500 П, об/мин

Рис. 1. Нормирование выбросов N0^: 1 — предложение 1МО; 2 — предложение ЕРА

этом используемое топливо должно содержать сернистых соединений 5р< 0,05 %.

Второе предложение разработано Агентством защиты окружающей среды (ЕРА) штата Калифорния США. В нем предлагается использовать плату за выброс окислов азота при заходе судов в порты Лос-Анжелеса (Лонг Бич) [3]:

— базовая плата за выброс — 10000 И8Б/т ЫОх;

— расчет базового количества (норма) выброса

ЫОХ (г/кВт-ч) = 64,3 • и"0'2 (2)

— снижение оплаты составляет

90 % — за 80 % снижения ЫОх;

50 % — за 30...80 % снижения ЫОХ; (3)

0 % — за < 30 % снижения ЫОх.

В этом предложении нормы газовых выбросов ЫОх рассчитываются по зависимости, аналогичной предложенной 1МО (1). Численно в этом предложении выбросы имеют повышенные по сравнению с зависимостью (1) значения на 42 %. Т.е. ЕРА предлагает использовать менее жесткие по сравнению с 1МО нормы (рис. 1).

Представленные предложения по ограничению выбросов ЫОх предлагается использовать в прибрежной зоне штата Калифорния, ограниченной расстоянием от берега 27...102 мили. В соответствии с этим за пределами этой зоны двигатели должны работать в режиме максимальной экономичности, а в пределах зоны ограничений выбросов — в режиме низкой концентрации ЫОх в выхлопных газах. Этот метод нормирования способствует разработкам новых методов и технологий снижения токсичности газовых выбросов.

Решение проблемы снижения токсичности газовых выбросов от СЭУ возможно осуществить с помощью следующих мероприятий:

— предварительная очистка топлива от соединений серы. Технически эта технология освоена, но затраты на её осуществление в настоящее время велики. При очистке жидких топлив (мазутов) путем гидрогенизации стоимость топлива возрастает на 50-80 %;

— топливоподготовка и регулировка режимных параметров. К этим методам для котельных установок можно отнести сжигание при малых избытках воздуха, двухступенчатое сжигание топлива, рециркуляция газов и др. Для дизелей возможно изменение

конструктивных параметров (форма камеры сгорания, усовершенствование форсунки, варьирование коэффициентом сжатия и др.), применение рециркуляции выхлопных газов, использование катализаторов и др. [4, 5]. В обоих случаях (для котлов и ДВС) эффективно применение водотопливных эмульсий [3, 6];

— замена вида топлива или формы эксплуатации СЭУ при входе в прибрежную зону. В прибрежных водах топливо меняется на более легкое и содержащее меньшее количество сернистых соединений. В таком режиме работают дизели фирмы Wartsila Liesel International Ltd, Vasa, Finland (Vasa 20, Vasa 32, Vasa 46) [3];

— очистка выхлопных газов перед выбросом в атмосферу. Этот метод достаточно полно разработан для очистки выбросов с тепловых энергетических установок. Есть методы очистки от окислов серы, азота, углерода, сажистых частиц. Эти методы могут использоваться для комплексной очистки газов, а также и для очистки от отдельных компонентов с получением полезного продукта. Существуют методы очистки выхлопных газов автомобилей (каталитическая очистка), а также подземного большегрузного транспорта (жидкостная нейтрализация).

Как показывает опыт в стационарной экозащитной технике создать метод очистки дымовых газов, удовлетворяющий всем требованиям, пока не удается. В настоящее время только для очистки газов от окислов серы предложено более 200 различных методов, интенсивно разрабатываются — около 10.

Все известные методы основаны на избирательной сорбции газовых компонентов различными растворами или твердыми сорбентами. По этому принципу все методы очистки разделяются на мокрые и сухие.

К простейшим мокрым методам относятся абсорбция с помощью воды, а также более емких поглотителей органического происхождения (ксилидин, диметиланилин и др.) или водных растворов неорганических веществ (щелочи, аммиачная вода, известняковая и известковая пульпа и др.). В качестве сорбентов при сухих методах очистки применяются различные марки активированных углей, полукоксы, силикагели, синтетические смолы, окислы и карбонаты щелочноземельных металлов. Процесс поглощения газов происходит на поверхности твердых сорбентов, он сопровождается капиллярной конденсацией и химическими реакциями (хемосорбция).

Преимущества мокрых методов очистки заключаются в их высокой эффективности, дешевизне реагентов, возможности одновременного улавливания летучей золы, относительно малых массо-габаритных показателей установок.

Для судовых условий с высокими требованиями к массе и габаритам установок, минимальным запасам реагентов и другими специфическими показателями наиболее оптимальными необходимо признать мокрые методы очистки выхлопных газов. Для этого имеются неограниченный объем рабочей среды — морской воды, сброс её после очистки и нейтрализации может производиться за борт.

Для этой цели нами разработано несколько конструкций жидкостных нейтрализаторов, основанных на контакте очищаемых газов с вертикальной нисходящей или восходящей пленкой жидкости [1].

В настоящее время многие суда и автономные гидротехнические сооружения имеют системы пресной воды для различных технических целей (мытье, смыв, обогрев и др.). Использование такой воды уменьшает отложения и коррозию на поверхностях трубопроводов. Применение этой воды увеличивает срок эксплуатации систем трубопроводов в 2-3 раза.

Сточные воды на судах обычно имеют низкое солесодержа-ние. Наши измерения в разных помещениях (отсеках) на рыбомуч-ной базе «В.Чернышев» показали, что солесодержание этих вод составляет от 1...2 до 4...5,6 г/л [1] при солесодержании морской воды 35 г/л. Эти данные позволяют предложить использование метода выпаривания для концентрирования сточных вод. При этом за счет низкой минерализации этой воды возможно назначение повышенных параметров по давлению испарения (до 100...150 кПа) и кратности упаривания до Спит/^рас=10...20. Повышенное давление увеличивает скорость деструкции поверхностно-активных веществ в сточной воде, а также обеспечивает ее термическое обеззараживание. За счет повышения интенсивности теплообмена уменьшаются габариты выпарной установки, за счет повышения кратности упаривания уменьшается объем продувочной воды. Аналогичные выпарные установки разработаны в химических производствах для снижения количества стоков и получения твердого остатка.

Схема переработки сточных вод может быть представлена в следующем виде. Сточные воды после механической очистки в

фильтре и сепараторе отстойного типа поступают в выпарной аппарат сточных вод, где происходит их глубокое упаривание до кратности 10...20. Полученная пресная вода используется в качестве технической для подпитки котла, системы охлаждения ДВС, мытьевой и смывной воды в системе трубопроводов. Продувочная вода из выпарного аппарата поступает через диспергатор на смешение с топливом и затем на огневое обезвреживание в топку котла.

Огневое обезвреживание остатков сточных и нефтесодержа-щих вод обеспечивается сжиганием их в топках штатных паровых котлов в виде водотопливных эмульсий (ВТЭ).

Эмульсии получают в диспергаторах при смешении остатков с котельным топливом (мазутом) с получением дисперсности водяной фракции до 10-50 мкм и влагосодержанием Ж = 1- 30 %. При сжигании ВТЭ не требуется замена штатных форсунок и топливных насосов.

Эффективность использования ВТЭ в котлах определяется повышением их технических, эксплуатационных, экономических и экологических характеристик:

— огневым обезвреживанием нефтесодержащих и сточных вод, обводненных нефтепродуктов, при этом экономичная работа котла обеспечивается при влагосодержании топлива 10-15 %;

— снижением токсичности газовых выбросов по окислам углерода (СО) на 30-50 %, окислам азота (М0Х) на 18-25 % и по частицам сажи - на 60-80 %;

— снижением интенсивности отложений на газовой стороне поверхностей теплообмена (котельных труб) и увеличением в 2 раза периода между их очистками;

— сохранением, а в некоторых случаях повышением экономичности котла.

Все представленные методы повышения экологической безопасности автономных гидротехнических сооружений наиболее эффективно проявляются при комплексном решении поставленной задачи. При этом одновременно производится снижение сброса жидких отходов в водную среду и газовых выбросов в атмосферу.

Схема комплексной системы совершенствования экологической безопасности судовых энергетических установок представлена на рис. 2.

Рис. 2. Схема комплексной системы совершенствования экологической безопасности СЭУ

Льяльные, загрязненные нефтепродуктами, а также другие нефтесодержащие воды (НСВ) собираются в сборной емкости 1, а пресные и слабоминерализованные сточные воды собираются в емкости 2. Из емкости 1 НСВ насосом 14 направляются в жидкостные нейтрализаторы 3 и 4, предназначенные для очистки дымовых газов котла 5 и двигателя внутреннего сгорания 6. Нейтрализатор 3 с нисходящим противоточным (относительно газа) движением пленки жидкости (типа НГЖ-6) имеет небольшое гидравлическое сопротивление и не оказывает влияния на рабочий режим котла 5. Нейтрализатор 4 (типа НГЖ-2, НГЖ-3 или НГЖ-4) с восходящим и частично с нисходящим прямоточным (по отношению к газу) движением пленки жидкости [1] имеет бо-

лее высокое гидравлическое сопротивление, меньшие габариты, эффективную степень очистки газов и вполне удовлетворяют требованиям и условиям работы ДВС. При необходимости обеспечения минимизации габаритов и гидравлического сопротивления нейтрализатора возможно использование аппарата НГЖ-7, который устанавливается на участок горизонтального газохода [1].

В жидкостных нейтрализаторах происходит очистка дымовых газов от токсичных компонентов — оксидов углерода (СО) и азота (N0), двуокисей серы (£02) и азота (N02), а также альдегидов, сажистых частиц и мельчайших капель топлива и масла. Очищенные газы через сепараторы выбрасываются в атмосферу, а загрязненная рабочая вода из нейтрализаторов 3 и 4 направляется в сепаратор рабочей воды 7 отстойного или флотационного типов, где за счет насыщения этой воды газом, наличия в ней дисперсных частиц сажи происходит более интенсивная сепарация воды [7]. Вода после сепаратора дополнительно очищается в адсорбционном фильтре 8 и для снижения её кислотности обрабатывается в фильтре-раскислителе 9.

В сепаратор 7 также поступает продувочная вода из выпарной установки кипящего типа 10, в которой происходит концентрирование сточных вод, поступающих из сборной емкости 2. Получаемую в выпарной установке пресную воду направляют в цистерну технической пресной воды 11, из которой она поступает к потребителям через обеззараживающее устройство 12 (типа хлоратора, озонатора или бактерицидной установки).

Нефтепродукты (и шлам) после отделения в сепараторе 7 имеют повышенное (до 50...80 %) влагосодержание. Обеззараживание этого продукта предлагается производить сжиганием в виде водото-пливной эмульсии в топке котла 5. Измельчение нефтеостатков и воды и равномерное смешивание с топливом производится в дис-пергаторе 13. Использование топлива в виде водотопливной эмульсии повышает качество сжигания топлива, особенно высоковязкого, и уменьшает токсичность газовых выбросов котла [6].

Применение описанной схемы комплексного совершенствования экологической безопасности СЭУ возможно на крупных судах с развитой системой энергообеспечения и большим экипажем (плавбазы, пассажирские суда, морские добывающие платформы).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Стаценко В.Н. Совершенствование экологической безопасности судовых энергетических установок. - Владивосток: ДВГТУ, 1997. -127 с.

2. Зубрилов С.П., Ищук Ю.Г., Косовский В.И. Охрана окружающей среды при эксплуатации судов. - Л.: Судостроение, 1989. - 256 с.

3. Hellen G. Emission control of mediun speed diesel engines in marine applications. — Proceedings International Shipbuilding Conference (ISC). Section G «Ecoloqy and Environmental Protection», St. Petersburq, 1994. — Р. 13-19.

4. Либефорт Г.Б. Судовые двигатели и окружающая среда. — Л.: Судостроение, 1979. — 141 с.

5. Гладков О.А., Лерман Е.Ю. Создание малотоксичных дизелей речных судов. — Л.: Судостроение, 1990. — 70 с.

6. Стаценко В.Н., Суменков В.М., Селезнев Ю.С. Эффективность применения водотопливных эмульсий в судовых котлоагрегатах. — Судостроение, 1999, № 2. — С. 31-34.

7. Ковалев О. П. Утилизация теплоты и очистка газов в контактных пленочных аппаратах. — Владивосток, Дальнаука, 1997. -120 с.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Бернавская Майя Владимировна — кандидат педагогических наук, доцент, [email protected],_ С-Петербургский государственный торгово-экономический университет,

Стаценко Владимир Николаевич — доктор технических наук, профессор, [email protected], Дальневосточный федеральный университет, профессор кафедры сварочного производства.

UDC 621.187.7:662.61-634.2

COMPLEX SOLUTION OF PROBLEMS OF ECOLOGICAL SAFETY OF AUTONOMOUS HYDRAULIC STRUCTURES

Bernavskaya M.V., Candidate of pedagogical Sciences, associate Professor, [email protected], St. Petersburg state University of trade and Economics, Russia, Statsenko V.N., Doctor of technical Sciences, Professor, [email protected], Far Eastern Federal University, Professor which is f-ry welding, Russia.

Ship operations and autonomous hydraulic facilities linked to environmental issues in the oil and waste water discharge into the aquatic environment, as well as the release of toxic gases into the air. Solution to the problem of reducing the toxicity of the gas emissions from ship power plants is possible through a variety of activities. For marine conditions with high requirements to the mass and dimensions of the installations, minimum stocks of reagents and other specific indicators need to recognize the best wet methods purification of exhaust gases. For this purpose we have designed several structures of liquid catalysts based on contact of the cleaned gases with a vertical descending or ascending film. Diagram of wastewater treatment may be provided using the evaporator, where the deep serves up to Multiplicities 10... 20. Fire clearance of residual waste and oil-containing water is produced by burning them in furnaces of steam boilers as water-fuel emulsions. The proposed scheme of complex improvement of environmental safety of ship power plants may apply to large vessels with a developed system of energy and a great crew (plants, passenger vessels, offshore production platform).

Key words: ships, self-contained hydraulic structures, environmental problem, dumping of oily water treatment, emission of toxic gases, liquid catalysts, evaporator, the remnants of the sludge and oil-contaminated water, combustion in furnaces of steam boilers, water-fuel emulsions.

REFERENCES

1. Stacenko V.N. Sovershenstvovanie jekologicheskoj bezopasnosti sudovyh jener-geticheskih ustanovok (Improvement of environmental safety of ship power plants), Vladivostok, DVGTU, 1997, 127 p.

2. Zubrilov S.P., Ishhuk Ju.G., Kosovskij V.I. Ohrana okruzhajushhej sredy pri jeksplua-tacii sudov (Protection in the operation of the courts), Leningrad, Sudostroenie, 1989, 256 p.

3. Hellen G. Emission control of mediun speed diesel engines in marine applications (Emission control of mediun speed diesel engines in marine applications). Proceedings International Shipbuilding Conference (ISC). Section G «Ecoloqy and Environmental Protection», St. Petersburq, 1994, pp. 13-19.

4. Libefort G.B. Sudovye dvigateli i okruzhajushhaja sreda (Marine engines and the environment), Leningrad, Sudostroenie, 1979, 141 p.

5. Gladkov O.A., Lerman E.Ju. Sozdanie malotoksichnyh dizelej rechnyh sudov (Creation of low-emission diesel engines river vessels), Leningrad, Sudostroenie, 1990, 70 p.

6. Stacenko V.N., Sumenkov V.M., Seleznev Ju.S. Jeffektivnost' primenenija vodotopliv-nyh jemul'sij v sudovyh kotloagregatah (Efficacy of water fuel emulsions in marine boilers), Sudostroenie, 1999, No 2. pp. 31-34.

7. Kovalev O.P. Utilizacija teploty i ochistka gazov v kontaktnyh plenochnyh apparatah (Heat recovery and gas cleaning in the contact film devices), Vladivostok, Dal'nauka, 1997, 120 p.

УДК 622.02:539.2

© С.В. Горовой, 2014

ИССЛЕДОВАНИЕ СИГНАЛОВ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ, НАБЛЮДАЕМЫХ ПРИ РАСТРЕСКИВАНИИ И ДРОБЛЕНИИ КАМЕННОГО УГЛЯ

Описаны результаты экспериментального исследования характеристик сигналов акустической эмиссии, наблюдаемых в лабораторных условиях при растрескивании каменного угля под действием одностороннего сжатия. Рассмотрены вопросы построения обнаружителя таких сигналов в подземных горных выработках на основе энергетического приемника. Полученные результаты могут быть использованы при создании аппаратуры, предназначенной для оценки интенсивности процесса растрескивания каменного угля в подземных горных выработках шахт, а также для оценки опасности повреждения и разрушения подземных горных выработок в угольных шахтах под воздействием горного давления.

Ключевые слова: акустическая эмиссия, горное давление, каменный уголь, угольная шахта, обнаружение случайных сигналов, энергетический приемник, порог обнаружения.

Для контроля состояния подземных горных выработок рудников и шахт, а также в качестве предвестников смещений, обрушения кровли и внезапных выбросов горных пород могут быть использованы сейсмоакустические сигналы, возникающие при хрупких разрушениях пород под воздействием горного давления [1, 2]. Сигналы, обусловленные хрупкими разрушениями при растяжениях, сжатиях, сдвигах и скольжениях относятся к сигналам, акустической эмиссии (АЭ) [3, 4]. Исследованию детальных свойств сигналов АЭ посвящены многочисленные работы [1-5]. Задачи обнаружения сигналов АЭ на фоне реальных помех в подземных горных выработках во многом остаются открытыми. В данной работе рассматриваются некоторые вопросы, связанные с построением обнаружителей таких сигналов.

Для обнаружения сигналов АЭ необходимы знания механизмов возникновения и распространения упругих (сейсмоакустиче-ских) волн в конкретных условиях. По своей природе сигналы АЭ являются случайными. Их пространственно-временные, частотные и статистические характеристики зависят от таких факторов

как механические свойства, газонасыщенность и водонасыщен-ность горных пород, величина и направление горного давления и др. В горных породах эти факторы в свою очередь могут зависеть от времени и изменяться по величине на несколько порядков на расстояниях в единицы метров и менее. Поэтому аналитическое описание подобных сигналов может быть разработано только для простейших частных случаев, применимость которых на практике весьма ограничена.

В то же время анализ сейсмоакустических сигналов, регистрируемых в подземных горных выработках (в том числе на слух или с помощью медицинского стетофонендоскопа со специальной насадкой при выключенном горном оборудовании) позволяет в ряде случаев сделать практически-значимые заключения о характере и степени опасности процессов, протекающих в толще породы на расстояниях до нескольких метров от места наблюдения или от точки, в которой установлен приемник сейсмоакусти-ческих волн. Учитывая, что в реальных условиях характерные для растрескивания углей акустические сигналы затухают в горных породах на расстояниях в несколько метров, возникает необходимость многоканального, полностью автоматического обнаружения таких сигналов с помощью сети автономных устройств, отстоящих друг от друга на расстояниях в 1 м и менее.

Задача обнаружения сигналов, характерных для акустической эмиссии в горных породах на фоне помех естественного и техногенного происхождения соответствует задаче обнаружения случайного сигнала на фоне случайной помехи с неизвестными характеристиками, встречающейся в задачах радиолокации и гидролокации и подробно рассмотренной в [6]. Для решения этой задачи часто используется т.н. энергетическое обнаружение с помощью «энергетического приемника», структура которого показана на рис. 1. Применительно к задачам обнаружения на фоне помех сейсмоакустических сигналов, характерных для хрупких разрушений, работающий автономно, без участия человека-оператора, энергетический приемник может быть использован следующим образом: Входной сейсмоакустический сигнал, поступающий с закрепленного на кровле, боковой поверхности или деталях арматуры горной выработки акселерометра подается на полосовой фильтр (1), затем возводится в квадрат с помощью

квадратичного детектора (2) и интегрируется за время T с помощью интегратора (3). Сигнал E(t) на выходе интегратора энергетического приемника, пропорциональный средней мощности за время T, описывается известным соотношением

E (t) = T 1 у 2( p)dp,

1 . rp

(1)

где у(() — сигнал на выходе полосового фильтра, T — время интегрирования, определяемое из практических соображений, например равное длительности ожидаемого сигнала. С выхода интегратора сигнал поступает на пороговое устройство (4), в котором производится его сравнение с пороговым уровнем, который задается с помощью формирователя порога (5). Если сигнал на выходе интегратора превышает пороговый уровень, формируется решение об обнаружении сигнала, характерного для хрупких разрушений, которое передается с помощью систем шахтной проводной и беспроводной связи дежурному диспетчеру для оповещения о необходимости принятия соответствующих мер. Для целей контроля за интенсивностью процесса разрушения горных пород, нужно непосредственно анализировать сигнал на выходе интегратора. На современном уровне развития техники при использовании микропроцессоров и программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) такие обнаружители, конструктивно объединенные с акселерометрами, устройствами передачи информации по радиоканалу и элементами питания, могут быть реализованы в виде недорогих малогабаритных герметичных взрывобезопасных автономных устройств массой не более 0,5 кг, которые крепятся к стенкам горных выработок с помощью дюбелей или анкеров.

Рис. 1. Энергетический приемник: 1 - полосовой фильтр, 2 - квадратичный детектор, 3 - интегратор, 4 - пороговое устройство, 5 - формирователь порога

В силу того, что и обнаруживаемый сигнал и помеха являются случайными, возможны правильные и ошибочные решения об обнаружении или отсутствии ожидаемых сигналов. Для оценки качества обнаружителей сигналов используют вероятностные характеристики обнаружения, такие как вероятность пропуска сигнала (когда сигнал есть, но обнаружитель принимает решение о его отсутствии) и вероятность ложной тревоги (когда сигнала нет, но обнаружитель принимает решение о его наличии). Для определения вероятностных характеристик обнаружения необходимо знание многомерных плотностей распределения вероятностей возможных помех и подлежащих обнаружению сигналов. В случае, когда помеху, входной сигнал и соответственно у(() можно считать гауссовскими случайными процессами с известными корреляционными функциями, для некоторых частотных характеристик фильтра в [6, 7] рассмотрены аналитические выражения для первых моментов, кумулянтов и одномерной плотности распределения вероятностей сигнала E(t). Зная эти величины, по приведенным в [6, 7] соотношениям можно определить вероят-нотные характеристики обнаружения.

Вывод аналитических выражений для моментов, кумулянтов и многомерных плотностей распределения в случае, когда сигнал на выходе фильтра существенно отличается от гауссовского, связан со значительными трудностями [6, 7]. Кроме того, наблюдаемые на практике сейсмоакустические сигналы могут иметь нега-уссовское распределение вероятностей выборочных значений [8]. Возможны ситуации, когда совместные распределения двух, тех и т.д. выборочных значений отличаются от гауссовского, в то время как одномерное распределение выборочных значений можно считать гауссовским [8]. Поэтому представляется важным экспериментальное оценивание данных характеристик для сейс-моакустических сигналов и шумов, наблюдаемых в реальных и модельных условиях.

В данной работе описаны результаты экспериментального исследования некоторых характеристик акустических сигналов, наблюдаемых при растрескивании и дроблении образцов каменного угля марки Д Липовецкого каменноугольного месторождения (Приморский край) под воздействием внешнего давления в лабораторных условиях. Исследования проводились с целью оп-

ределения пригодности энергетического обнаружения сигналов АЭ применительно к углям и горным выработкам данного месторождения.

Лабораторная установка представляла собой ручной пресс, на плите которого был установлен толстостенный стальной цилиндрический стакан с внутренним диаметром 50 мм, в котором с помощью движущегося со скоростью 1 мм/с стального поршня производилось одностороннее сжатие и разрушение исследуемых образцов. К торцевой поверхности стакана был прикреплен пьезоэлектрический акселерометр с резонансной частотой 36 кГц, с помощью которого воспринимались акустические сигналы, возникающие при хрупком разрушении исследуемых образцов. Сигналы с выхода акселерометра после усиления и ограничения полосы частот сверху до 22 кГц оцифровывались с помощью 24-разрядного аналого-цифрового преобразователя и записывались в память компьютера, а затем обрабатывались. Обработка производилась с помощью специально разработанной компьютерной программы [9, 10].

На рис. 2 показан фрагмент типичной осциллограммы акустического сигнала, наблюдавшегося при растрескивании и разрушении куска сухого угля с помощью вышеописанной установки. Она имеет вид последовательности импульсов длительностью порядка 2 мс, соответствующих образованию и росту трещин. Наибольшие по уровню импульсы соответствуют откалывания кусков. Амплитудные значения таких импульсов различаются не более, чем на 50%. При одновременном возникновении нескольких трещин импульсы наблюдаются наложения импульсов.

На рис. 3 показан фрагмент осциллограммы на рис. 2, соответствующий одному из импульсов. В конце импульса, на интервале от 9,67 с до 9,675 с заметно затухание сигнала.

Для эффективной работы энергетического приемника весьма важным является выбор полосы пропускания фильтра и времени интегрирования. Полоса пропускания фильтра должна быть по возможности согласована со спектром сигнала.

На рис. 4 приведен усредненный спектр показанного на рис. 2 фрагмента сигнала. Подъем спектра в области 7 кГц обусловлен влиянием экспериментальной установки. С учетом этого, спектр полученных в результате экспериментов сигналов с по-

грешностью + 6 дБ можно считать плоским, и поэтому использовать полосовой фильтр с плоской амплитудно-частотной характеристикой.

На рис. 5 показан фрагмент сигнала на выходе интегратора энергетического приемника при полосе пропускания фильтра А/ = 1—20 кГц и времени интегрирования Т =2 мс. Он может быть использован для предварительной установки порога обнаружения. Область частот ниже 1 кГц удалена, т.к. в ней содержатся составляющие вибрационных и сейсмических помех естественного и техногенного происхождения. Время интегрирования выбрано равным длительности типичного импульсного сигнала, наблюдаемому во время возникновения и развития трещины, см. рис. 3.

Для образцов увлажненного угля были получены аналогичные результаты, но уровни импульсных сигналов на выходе интегратора, вследствие влияния поверхностного натяжения воды на процесс развития и разрушения трещин были в 2-3 раза ниже, чем для образцов сухого угля.

200

-200-'-¡-1-

9.5 10 10.5 11

t, с

Рис. 2. Фрагмент осциллограммы входного сигнала, соответствующего хрупкому разрушению сухого образца угля

1001—г

-1001—1-1-1-

9.665 9.67 9.675

Ь, с

Рис. 3. Детальный фрагмент осциллограммы сигнала, соответствующего хрупкому разрушению сухого образца угля

На рис. 6 показана оценка одномерной плотности распределения выборочных значений сигнала на выходе интегратора, показанного на рис. 5. [9, 10]. Вид плотности распределения качественно можно объяснить тем, что на большей части показанного на рис. 5. временного интервала сигнал на выходе интегратора мало отличается от нуля. Из анализа рис. 6 можно сделать вывод, что в качестве начального приближения в данном случае в качестве порога обнаружения сигналов, сопутствующих разрушению образца может быть выбрано значение порядка 0,8.

Рис. 4. Усредненный спектр входного сигнала, соответствующего хрупкому разрушению сухого образца угля

Рис. 5. Фрагмент осциллограммы сигнала на выходе интегратора, соответствующего хрупкому разрушению сухого образца угля

Рис. 6. Оценка одномерной плотности распределения выборочных значений сигнала на выходе интегратора, соответствующего хрупкому разрушению сухого образца угля

По результатам выполненных экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы:

1. Результаты исследования качественно совпадают с известными теоретическими соотношениями и позволяют уточнить некоторые вероятностные характеристики обнаружения в автоматическом режиме сигналов акустической эмиссии.

2. Представленные в работе результаты и оценки порога обнаружения характеризуют лишь экспериментальные данные, на основе которых они были получены, но могут быть использованы в качестве ориентировочных проведении дальнейших исследований.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Глушко В. Т., Виноградов В.В. Разрушение горных пород и прогнозирование проявлений горного давления. - М.: Недра, 1982, 192 с.

2. Глушко В. Т., Гавеля С.П. Оценка напряженно-деформированного состояния массивов горных пород. -М.: Недра, 1986, 221 с.

3. McCabe W.M. Acoustic emission in coal: a laboratory study // Proc. 2nd Conf. on Acoustic Emission / Microseismic Activity in Geologic Structures and Materials. (Eds: KR.Hardy, Jr. & F.W.Leighton). - Clausthal. Trans. Tech. Publications. - 1980. - P. 35-53.

4. Кучурин С.В. Акустоэмиссионный метод определения физико-механических свойств и состояния угля в процессе его деформирования // Горный информационно-аналитический бюллетень (ГИАБ). 2006. — № 8. — С. 120-126.

5. Шкуратник В.Л., Филимонов Ю.Л., Кучурин С.В. Эксперимен-таль-ные исследования акустической эмиссии в образцах угля при одноосном нагружении // ФТПРПИ - 2004. - № 5. - С. 42 - 49.

6. Левин Б. Р. Теоретические основы статистической радиотехники. кн. 1 — М.: Советское радио, 1974.

7. Slepian D. Fluctuations of random noise power. //Bell System Technical Journal, vol. 37, i. 1, pp. 163-184, 1958. (Перевод в кн. «Определение параметров случайных процессов» под ред. В.И. Чайковского. УССР, Гостехиздат, 1962).

8. Горовой С.В. Наумов С.Б. Некоторые результаты исследования характеристик сейсмического фона в районе бухты Витязь Японского моря // VIII Всероссийский симпозиум «Физика геосфер», Владивосток, 2 - 6 сентября 2013 г. С.55-58.

9. Горовой С.В. Некоторые результаты экспериментального оценивания трехмерных и четырехмерных плотностей распределения выборочных значений низкочастотных радиотехнических шумов// I Всероссийская микроволновая конференция 27-29 ноября 2013 г., Москва. С. 12-16.

10. Горовой С.В. Экспериментальное исследование и сравнительный анализ одномерных и двумерных плотностей распределения флук-туаций средней мощности некоторых реализаций низкочастотных шумов различного происхождения // VIII Всероссийская конференция «Радиолокация и радиосвязь», М., 2014, С. 236-241.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Горовой Сергей Владимирович — доцент, Дальневосточного федерального университета, [email protected].

UDC 622.02:539.2

STUDY OF THE SIGNALS OF ACOUSTIC EMISSION, OBSERVED DURING SPLITTING OF THE BITUMINOUS COAL

Gorovoy Sergey Vladimirovich, the associate professor of the department of the instrument manufacture of Far-Eastern federal university, Russia.

There are described the results of an experimental study of the characteristics of the signals of acoustic emission, observed under laboratory conditions with the splitting of bituminous coal under the action of linear compression. Questions of the construction of the detector of such signals in the underground mountain workings on the basis of energy receiver are examined. The obtained results can be used for the creation of the equipment, intended for evaluating the intensity of the process of the splitting of bituminous coal in the underground mountain workings of mines, and also for evaluating the danger of damage and destruction of underground mountain workings in the carbon mines under the action of rock pressure.

Key words: acoustic emission, rock pressure, bituminous coal, carbon mine, the detection of random signals, energy receiver, the detection threshold

REFERENCES

1. Glushko V.T., Vinogradov V.V. Razrushenie gornyh porod i prognozirovanie projav-lenij gornogo davlenija (Explosives Breakdown of rocks and the prognostication of the manifestations of rock pressure), Moscow, Nedra, 1982, 192 p.

2. Glushko V.T., Gavelja S.P. Ocenka naprjazhenno-deformirovannogo sostojanija mas-sivov gornyh porod (Estimation of the stress-strained state of the massifs of the rocks), Moscow, Nedra, 1986, 221 p.

3. McCabe W.M. Acoustic emission in coal: a laboratory study (Acoustic emission in coal: a laboratory study)// Proc. 2nd Conf. on Acoustic Emission / Microseismic Activity in Geologic Structures and Materials. (Eds: N.R.Hardy, Jr. & F.W.Leighton). Clausthal. Trans. Tech. Publications. 1980, pp. 35-53.

4. Kuchurin S.V. Akustojemissionnyj metod opredelenija fiziko-mehanicheskih svojstv i sostojanija uglja v processe ego deformirovanija (Acousto-emissive method of determining of physicomechanical properties and state of coal in the process of its deformation), Gornyj infor-macionno-analiticheskij bjulleten' (GIAB), 2006, No 8, pp. 120-126.

5. Shkuratnik V.L., Filimonov Ju.L., Kuchurin S.V. Jeksperimental'-nye issledovanija akusticheskoj jemissii v obrazcah uglja pri odnoosnom nagruzhenii (Experimental studies of acoustic emission in the models of coal with the uniaxial load), FTPRPI, 2004, No 5, pp. 42 - 49.

6. Levin B.R. Teoreticheskie osnovy statisticheskoj radiotehniki (Theoretical bases of statistical radio engineering). Kn. 1, Moscow, Sovetskoe radio, 1974.

7. Slepian D. Fluctuations of random noise power //Bell System Technical Journal, vol. 37, i. 1, pp. 163-184, 1958. (Perevod v kn. «Opredelenie parametrov sluchajnyh processov» pod red. V.I. Chajkovskogo, USSR, Gostehizdat, 1962).

8. Gorovoj S.V. Naumov S.B. Nekotorye rezul'taty issledovanija harakteristik sejsmicheskogo fona v rajone buhty Vitjaz' Japonskogo morja (Some results of investigating the characteristics of seismic background in the region of bay the champion of Sea of Japan) // VIII Vserossijskij simpozium «Fizika geosfer» Vladivostok, 2 - 6 sentjabrja 2013, pp.55-58.

9. Gorovoj S.V. Nekotorye rezul'taty jeksperimental'nogo ocenivanija trehmernyh i che-tyrehmernyh plotnostej raspredelenija vyborochnyh znachenij nizkochastotnyh radiotehnicheskih shumov (Some results of the experimental evaluation of the three-dimensional and four-dimensional densities of the distribution of the selective values of low-frequency radio-technical noise) // I Vserossijskaja mikrovolnovaja konferencija 27-29 nojabrja 2013, Moscow, pp. 12-16.

10. Gorovoj S.V. Jeksperimental'noe issledovanie i sravnitel'nyj analiz odnomernyh i dvumernyh plotnostej raspredelenija fluktuacij srednej moshhnosti nekotoryh realizacij nizko-chastotnyh shumov razlichnogo proishozhdenija (Experimental study and the comparative analysis of the one-dimensional and two-dimensional densities of the distribution of the fluctuations of the average power of some realizations of low-frequency noise of different origin) // VIII Vse-rossijskaja konferencija «Radiolokacija i radiosvjaz'», Moscow, 2014, pp. 236-241.

УДК 615.1/4 © В.П. Аксенов, 2014

ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЦЕНКИ РЕАКЦИИ ЧЕЛОВЕКА НА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ

Рассматривается принцип работы изготовленного измерительного устройства, приводятся его метрологические характеристики, экспериментальные данные. Прибор содержит два измерительных канала для измерения сопротивления кожи человека и измерения освещенности пальца руки. Кроме диагностических функций устройство выполняет оценку реакции человека на электромагнитное излучение низкой частоты. Содержится основная часть программного обеспечения для микроконтроллера. Ключевые слова: прибор, измерение, сопротивление, реакция, излучение, диагностика, микроконтроллер.

В инженерно-психологических и медико-биологических исследованиях широко применяются электрофизиологические показатели состояния человека. Кожно-гальваническая реакция широко используется для изучения особенностей психофизиологических реакций, нервной системы, определения и исследования черт личности.

При длительном воздействии на биологически активные точки электрическим током, может существенно измениться состояние различных слоев кожи как в сторону снижения сопротивления и, соответственно, повышения ее электропроводности, так и наоборот. Электропроводность в точке длительного воздействия изменяется в зависимости от индивидуальной реактивности организма. Первоначально отмечается увеличение электропроводности, затем уменьшение и стабилизация.

В зависимости от времени дня проводимость кожи увеличивается к полудню и достигает максимума, а затем, к вечеру, падает. На дневной ритм накладываются психофизиологические влияния. Сопротивление увеличивается с возрастом, независимо от пола. Разнообразие подходов к измерению сопротивления вызвано его сложной структурой, большим диапазоном его измерения и концентрацией исследователей на его отдельных частях. Возможен единый подход к измерению сопротивления, основанный на моделировании в виде электрических схем. Известны различные эквивалентные электрические схемы живой ткани. Однако они не раскрывают основных особенностей при измерении ее сопротивления на малых токах. С электрической точки зрения организм человека представляет собой комбинацию соединений омических сопротивлений и емкостей (рис. 1).

Сопротивление живых тканей человека нелинейным образом зависит от частоты, приложенного напряжения, проходящего тока и от различного рода раздражителей, действующих на человека. Зависимость сопротивления от напряжения проявляется при его величине свыше 20 В. При напряжениях около 100 В, как правило, эпидермис пробивается, проводимость скачкообразно увеличивается. Зависимость сопротивления от тока наблюдается при его величине более 1 мкА. Сопротивление зависит также от

СЭ

Ст

Сэ

И ' Кэ-т II Ят • II КЭ-Т

и 1-.

_ ^а-б _ -О О-

Рис. 1. Эквивалентная схема сопротивления кожи человека

знака проходящего тока и имеет активную и реактивную составляющие.

Сопротивление человеческого тела определяется эпидермисом, тканевыми жидкостями и клеточными мембранами. Сопротивление клеточных мембран

близко к тысячам мегаом. При достаточно высоких напряжениях они пробиваются. В них располагаются ионные каналы с энергией активации в сотые доли вольта. Сопротивление тканевых жидкостей невелико, приблизительно 20-30 Ом/(мм2-м). Это лимфатические и кровеносные сосуды, постоянный ток и ток промышленной частоты идёт в основном через них.

Величина емкости определяется величиной поляризационного эффекта, который уменьшается с ростом частоты. На частотах выше 80 - 100 кГц явление поляризации практически не наблюдается, а емкостное сопротивление конденсаторов Ст невелико. Можно считать, что проводимость ткани в области этих частот имеет лишь активную составляющую. Сопротивление кожи колеблется в пределах от 10 кОм до 2 МОм. Сопротивление кожи кисти и лица находится в пределах от 10 до 20 Ком, ладони и подошвы — от 200 кОм до 2 МОм. В Научном центре неврологии РАМН в качестве нормы приняты следующие показатели: лоб -10 кОм, шея — 35 кОм, ладонь — 20 кОм, колени — 400 кОм. Измерения методом анализа биоэлектрического импеданса [1], проведенные в 2004 г. в группе из 27 человек, дали среднюю оценку активного сопротивления Я=538 ± 94 Ом, реактивной составляющей Хс=53 ± 15 Ом в одной из серий измерений. Исследования проводились с целью расчета отношения сопротивления Я и Хс к весу человека.

Наибольшую диагностическую ценность имеют не абсолютные значения сопротивления, физиологические нормы которого значительно варьируются для разных индивидуумов, а анализ динамики кожно-гальванической реакции, т. е. относительное изменение кожного сопротивления в зависимости от навязанного режима работы. Скорость изменения сопротивления, вызванная различными раздражителями, составляет несколько килом в минуту.

Разработанное устройство предназначено для исследования динамики двух физических параметров - сопротивления кожи между руками и фотоэлектрической проницаемости пальца руки в результате импульсного воздействия радиосигналов низкой частоты.

При измерении относительного изменения сопротивления отсутствует влияние постоянного сопротивления элемента «электрод-кожа» ЯЭ-Т в измерительной цепочке Zа-б. Эта постоянная ве-

личина вычитается и не влияет на результаты, поэтому нет необходимости использовать специальные средства измерения. При абсолютных измерениях для уменьшения величины ЯЭ-Т необходимо использовать специальные электроды и смачивание поверхности контакта электрода с кожей токопроводящим раствором.

Измерение девиации сопротивления некритично к постоянной погрешности измерения, обусловленной техническими характеристиками средств измерения. Такие требования существенно снижают стоимость технических средств, применяемых для измерения сопротивления кожи. Отсутствует влияние внешних факторов на показания измерения, таких как температура окружающей среды, помехи от бытовых электрических приборов и т.д. Все постоянные помехи в результате измерения вычитаются.

Структурная схема разработанного измерительного устройства приведена на рис. 2. Управление системой и обработку данных датчиков выполняет микроконтроллер.

В данном случае нет необходимости нахождения биологически активных точек. Электроды можно накладывать на любые участки кожи исследуемого человека. Настройка параметров мостовой схемы и коэффициента усиления операционного усилителя выполнены для рекомендуемого варианта расположения металлических электродов в левой и правой руке. Изолируясь от абсолютных значений кожного импеданса и принимая за физиологическую норму рост сопротивления в фазе релаксации и уменьшение сопротивления в фазе концентрации, можно контролировать физическое состояние человека.

1' Световой поток

Рис. 2. Двухканальный измеритель физиологических параметров

Устройство состоит из низкочастотного генератора импульсов, датчика кожного сопротивления, датчика освещенности пальца, индикатора абсолютного значения физического параметра и его приращения. Прибор предназначен для исследований изменений элек- Рш ^ Измершшльный прибор б(П датчиков

т^опроводности живой датчик освещенности пальца (б) ткани и фотопроводимости пальца, отражающих воздействие низкочастотных (до 100 Гц) импульсных сигналов произвольной формы, излучаемых антенной.

Системы с терапевтическим воздействием используют, как правило, электрические и тепловые сигналы-стимулы, которые могут иметь весьма разнообразную форму и параметры. Применение микроконтроллеров позволяет существенно упростить техническую разработку и создание таких приборов, поскольку основные процессы формирования разнообразных электрических или тепловых сигналов решаются программным путем, а собственно терапевтический прибор может быть весьма простым в технической реализации. Основные технические характеристики разработанного устройства:

1. Напряжение электропитания измерительной цепи - постоянное +3,3 В.

2. Диапазон измерения кожного сопротивления 10 кОм ... 35 кОм.

3. Постоянный ток измерения кожного сопротивления, не более 150 мкА.

4. Диапазон измерения сопротивления фотоприемника 20 кОм . 1 МОм.

5. Диапазон частот импульсов генератора 1 Гц ... 400 Гц.

6. Напряжение питающей сети — однофазное переменное 220 В с частотой 50 Гц или от +5 В от И8В-разъема компьютера.

7. Габариты корпуса прибора 140* 80^40 мм.

На рис. 4, а приведена электрическая схема преобразователя сопротивления в напряжение. Неуравновешенный мост состоит из четырех элементов — трех резисторов Я1, Я2, Я3 и датчика сопротивления. Два электрода датчика в режиме измерения удерживаются в левой и правой руке. Расчетная зависимость выходного напряжения операционного усилителя от внешнего сопротивления между инвертирующим входом и общей точкой схемы приведена на рис. 4, б.

Небольшой постоянный ток 1РУК протекает между двумя руками и по верхней части тела. Его величина определяется напряжением на резисторе Я2 иК2 = 1,365 В, т.к. при экспериментальном изменении эквивалентного сопротивления ЯРУК от 12 кОм до 24 кОм падение напряжения на резисторе ЯРУК изменялось незначительно (табл. 1). Вместо датчика сопротивления с электродами Э1 и Э2 в эту цепь схемы был подключен переменный резистор.

Максимальный ток, протекающий через эквивалентное сопротивление рук, в указанном диапазоне составил 110 мкА. С увеличением сопротивления кожи ЯРУК ток, протекающий по контуру

й

О

]Я2 33к

-О+Еп 3,3 В

|ивых1 1

^31 3

I □

32

Металлические электроды

иои = вешог)

2x10 3x10

8ешог Я, От

Рис. 4. Схема подключения датчика сопротивления кожи (а), передаточная характеристика преобразователя сопротивление — напряжение (б)

б

а

2

3

ВА728

Z

Таблица 1

Экспериментальная зависимость выходного напряжения ОУ

РУК В 1,34 1,35 1,36 1,37 1,38 1,39 1,40 1,41 1,42 1,43 1,44 1,45

Цвых, В 2,09 2,09 2,03 1,93 1,80 1,53 1,08 0,90 0,67 0,54 0,44 0,44

рук, уменьшается. При необходимости измерений больших сопротивлений порядка 200 - 400 кОм схема резистивного моста дополняется переменными резисторами. Зависимость сопротивления от тока наблюдается при его величине более 1 мкА. В диапазоне больших сопротивлений также проявляется зависимость сопротивления от тока, поскольку ток измерения превышает 1 мкА.

Небольшой диапазон линейности передаточной характеристики 10.35 кОм обусловлен необходимостью визуального контроля незначительных отклонений сопротивления кожи АЯРУК после фиксации (нажатия кнопки прибора) абсолютного сопротивления ЯРУК(1) в произвольный момент времени процедуры измерения. Зафиксированная величина ЯРУК(() является нулевым отсчетом для последующих измерений. В момент фиксации ^ на дисплее прибора индицируется ноль. Приращение сопротивления АЯРУК на экране отображается цифрами без знака. Знак приращения отображается свечением зеленого светодиода (минус) или синего светодиода (плюс). В некоторых случаях достаточно контролировать только знак отклонения сопротивления, плюс или минус. Светодиодная индикация знака приращения делает контроль оперативным, более удобным и не требует от оператора запоминания или регистрации предыдущих показаний.

Наименьшее дискретное значение изменения входного напряжения АЦП, которое индицируется на дисплее прибора в виде целого числа +1 или -1 после фиксации нулевого уровня, определяется передаточной характеристикой 24-канального АЦП, встроенного в микроконтроллер 8ТМ8Ы52С6Т6. На рис. 4 приведена экспериментальная калибровочная характеристика используемого 22-го канала АЦП в 10-разрядном режиме. При изменении входного напряжения АЦП на 2,9 мВ показание на дисплее изменится на единицу. Из графика на рис. 3, б следует, что минимальное приращение сопротивления, которое можно обнаружить на дисплее, составляет АЯРУК = 100 Ом при абсолютном значении сопротивлении ЯРУК = 20 кОм.

Приращения сопротивления АЯРУК на дисплее отображаются в цифровом десятичном коде аналого-цифрового преобразователя с помощью трех десятичных цифр. Этого количества цифр достаточно для всего диапазона входных напряжений преобразователя.

Nadc = f (Uin)

600 400

Uin voltage, V

Рис. 3. Передаточная характеристика АЦП STM8L152C6T6

Коэффициент усиления мостовой схемы с операционным усилителем

-R4 х (R3 + R)

R3 + R

определяет диапазон линейности характеристики и минимальную величину изменения сопротивления АЯ, которую можно обнаружить с помощью индикатора прибора. При изменении сопротивления рук от 10 кОм до 35 кОм коэффициент усиления по напряжению меняется от -2,18 до -1,11. В начале линейного диапазона при ЯРУК = 10 кОм АЯтп = 70 Ом. В конце рабочего диапазона при ЯРУК = 35 кОм минимальное изменение равно 140 Ом.

Второй канал измерительного устройства предназначен для регистрации освещенности фоторезистора от источника излучения видимого диапазона. Между фоторезистором (рис. 3, б) и источником излучения располагается палец руки. Экспериментальные данные подтверждают корреляцию между фотоэлектрической проводимостью пальца и импульсным низкочастотным радиоизлучением заданной формы. Преобразование освещенности в напряжение выполнено по аналогичной мостовой схеме.

Варианты воздействия электромагнитного поля на биосистемы, включая человека, разнообразны: непрерывное и прерывистое, общее и местное, комбинированное от нескольких источников и сочетанное с другими неблагоприятными факторами среды и т.д. На биологическую реакцию влияют следующие параметры электромагнитного поля: интенсивность электромагнитного поля, частота излучения, продолжительность облуче-

Nadc

0

2

3

ния, модуляция сигнала, сочетание частот электромагнитного поля, периодичность действия. Сочетание вышеперечисленных параметров может давать существенно различающиеся последствия для реакции облучаемого биологического объекта. Облучение в большинстве случаев происходит полями относительно низких уровней.

Кроме двух измерительных каналов в приборе реализован программно генератор импульсов произвольной формы. Последовательность байтов, записанных во внутреннее ПЗУ микроконтроллера, выводится с постоянной частотой на порт D микропроцессора STM8L152C6T6. Восемь сигналов (бит) одновременно поступают на восемь антенн-проводников, создающих электромагнитное поле с частотой до 100 Гц. Внешняя микросхема памяти ПЗУ емкостью 2 Мбайта способна хранить более 500 различных тестовых комбинаций байтов. Исходные файлы-тесты создаются на компьютере в текстовом редакторе. После преобразования формата они записываются в внешнюю микросхему ПЗУ микропроцессора. Ниже приведен пример исходного компьютерного файла, который содержит 4 информационных байта, записанных в двоичном коде. Частота вывода байтов с точностью до одного Герца обеспечивается кварцевым генератором микроконтроллера. SET SD 0B00001110 RES SD SET SD 0B00000110 RES SD SET SD 0B00000101 RES SD SET SD 0B00011110 RES SD

Запуск программы формирования тестовых последовательностей выполняется автоматически после подачи питания на микроконтроллер. Порядок работы измерительного прибора предполагает следующую последовательность действий.

На дисплей прибора выводится набор тестов, меняющихся с интервалом в 2 секунды. При нажатии кнопки пользователя выбирается тот тест, который выведен на экран. После этого предлагается выбрать датчик сопротивления кожи или датчик освещенности пальца руки. Окончание выбора датчика запускает программу формирования импульсов выбранного теста. Длительность работы генератора импульсов фиксирована и составляет несколько десятков секунд. Пользователь прибора изменить этот параметр не может. Но перепрограммирование микроконтроллера в среде проектирования ST Visual Develop занимает несколько минут, чтобы изменить как длительность тестового сигнала, так и другие параметры программы. Исходный текст программы, управляющей работой прибора, составлен на языке С++. Заканчивается работа прибора измерением того параметра, который был выбран в начале работы.

Ниже приведена та часть программы, которая обслуживает выбор меню работы по нажатию кнопки пользователя и работу АЦП.

void main(void) {

Address_eeprom = FLASH_DATA_EEPROM_START_PHYSICAL_ ADDRESS;

/* Address_eeprom =0x1000; /* data eeprom memory address */

ADCnul=0; /* ноль АЦП */ /* Init Board key button and led */

/* Interrupt sensitivity set to falling edge only for PC1 */ EXTI->CR1 = 0x0A;

/* Init GPIO Port C PC1 pin input floating with interrupt */ GPIOC->DDR &= 0xFD; /* бит=0 input */ GPIOC->CR1 &= 0xFD; /* бит=0 Input with pull-up */ GPIOC->CR2 |= 0x02; /* бит=1 прерывание от кнопки PC1*/ /* Init Port PC7 output push-pull up to 10MHz blue LED4 */ GPIOC->DDR |= 0x80; /* бит=1 output */ GPIOC->CR1 |= 0x80; /* бит=1 push-pull */ /* GPIOC->CR2 |= 0x80; /* бит=1 up to 10MHz */ /* Init Port PE7 output push-pull up to 10MHz green LED3 */ GPIOE->DDR |= 0x80; /* бит=1 output */

GPIOE->CR1 |= 0x80; /* бит=1 push-pull */ /* GPIOE->CR2 |= 0x80; /* бит=1 up to 10MHz */ LCD_GLASS_Init(); /* Initialization of LCD */ LCD_ContrastConfig(LCD_Contrast_3V0); /* standard contrast*/ tochka =FALSE; /* точка с символом не отображается */ flcol = FALSE; /* столбец с символом не отображается */

I---------------------------------------------------------------------------------- I

I Переключение с внутреннего генератора HSI 16 МГц I I на внешний генератор HSE crystal 4 МГц I I---------------------------------------------------------------------------------- I

/* Процессор стартует с внутреннего генератора HSI 16 МГц */ CLK_HSICmd(DISABLE); /* Internal oscillator HSI DISABLE */ /* System Clock is HSE: */ /* System Clock is HSE/4: */

CLK_SYSCLKDivConfig(CLK_SYSCLKDiv_4); /* коэфф. дел-ия

4 */

CLK_HSEConfig(CLK_HSE_ON); /* external 4 МГц HSE enable */ /* Configures the System clock (SYSCLK) source: */ CLK_SYSCLKSourceConfig(CLK_SYSCLKSource_HSE); CLK_SYSCLKSourceSwitchCmd(ENABLE); /* Enable clock switch

*/

Knopka=0; /* счетчик нажатий кнопки пользователя */ enableInterrupts(); /* разрешение прерываний */ /* выбор генератора импульсов антенны */ while (Knopka < 3) /* ожидание нажатий кнопки User */

{/* индексы i1,i2 запоминаются в прерываниях кнопки */

for (i1 = 1; i1 < 8; i1++) /* при нажатии кнопки User */ {

if (Knopka==0)LCD_GLASS_DisplayString(nameGen[i1]); if

(Knopka==1)LCD_GLASS_WriteChar(digch[i1],tochka,flcol,3); delay_ms(2000);

if (Knopka==2) break; }

if (Knopka==2) break; }

/* выбор генератора импульсов завершен, вывод на дисплей */ LCD_GLASS_Clear(); /* очистка дисплея */ LCD_GLASS_DisplayString(nameGen[igen1]);/* имя генератора */ delay_ms(2000); LCD_GLASS_Clear();

LCD_GLASS_WriteChar(digch[igen2] ,tochka,flcol,3);/* цифра */ delay_ms(2000);

/* выбор датчика по нажатию кнопки: */ LCD_GLASS_ScrollSentence(«датчик»,1,320); while(Knopka==2) /* ожидание нажатия кнопки*/ {LCD_GLASS_DisplayString(«ПАЛ»); /* датчик пальца*/ ButtonUser = TRUE; /* датчик пальца */ delay_ms(2000); if (Knopka==3) break;

LCD_GLASS_DisplayString(«PyK»); /* датчик рук */ ButtonUser = FALSE; /* датчик рук */ delay_ms(2000); } /* выбор датчика завершен */ if (datchik==TRUE)

LCD_GLASS_DisplayString(«ПАЛ»); /* датчик пальца*/ else LCD_GLASS_DisplayString(«PyK»); /* датчик рук */ delay_ms(2000);

/* работа с ПЗУ AT45DB161D */ /* Инициализация порта B для ПЗУ AT45DB161D */ /* старшую половину порта В отключить от индикатора LCD */ disableInterrupts(); delay_ms(20); /* запрет прерываний */ LCD->PM[1] &= 0x00; /* маска нулем seg8 — seg15: */ LCD->PM[2] &=0xFC; /* маска нулем PB6 seg16, PB7 seg17 */ sFLASH_Init(); /* ПЗУ: Initialize the SPI FLASH driver */

enableInterrupts(); /* разрешить прерывания */ {

/* Programs one byte in data EEPROM memory: */ FLASH_ProgramByte(Address_eeprom, RxBuffer2[k4]); /* чтение буфера ОЗУ RxBuffer2:*/ RxBuffer2[k4]=FLASH_ReadByte(Address_eeprom); Address_eeprom++;

}

adr = adr + rx_buffer_size;

}

/* индикация элементов буфера приемника RxBuffer2 */

for (k4 = 0; k4 < 51*rx_buffer_size; k4++) {

/*indcon=RxBuffer2[k4] ; */

/* чтение буфера ОЗУ, заполненного из внешнего ПЗУ */

indcon=FLASH_ReadByte(FLASH_DATA_EEPROM_START_

PHYSICAL_ADDRESS+k4);

/* формирование 3 символов из числа indcon: */

indicator_3(); /* индикация числа из 3 символов */ }

LCD_GLASS_DisplayString(«nyC «); while (Knopka==3); /* ожидание нажатия кнопки */ /* Инициализация порта D для антенны */ GPIOD->DDR |= 0x04; /* PD2 на вывод */

GPIOD->CR1 |= 0x04; /* подтягивающий резистор */ GPIOD->DDR |= 0x08; /* PD3 на вывод */ GPIOD->CR1 |= 0x08; /* подтягивающий резистор */ /* байт X генератора импульсов — вывод на порты B,D */ /* x0=pB0, x1=pB1, x2=pB2, x3=pB3 x4=pB6 x5=pB7 */ /* pD2,pD3 — две независимых частоты импульсов */ pB4=(0x0F&RomGen[igen2]);/* выделение 4 мл. бит */ pB2=(0x30&RomGen[igen2]);/* выделение 2 ст. бит */ genpB=pB4|(pB2<<2); /* логическое сложение 4 и 2 бит */ /* для порта B0,B1,B2,B3,B6,B7 */ /* LCD->PM[2] &= 0xFC;/* маска нулем PB6 seg16, PB7 seg17:*/ /* LCD->PM[1] &= 0x00; /* маска нулем seg8 — seg15: */

/* LCD->PM[0] &= 0x3F; /* маска нулем seg6, seg7: */ /* запуск генератора импульсов: */

LCD_GLASS_DisplayString(«rEH»); TIM4_Config(); /* инициализация таймера TIM4 */ TIM1_Config(); /* инициализация таймера TIM1 */

TIM3_Config(); /* инициализация таймера TIM3 */ delay_ms(16000); /* время работы генератора */ /* останов генератора импульсов: */ TIM4->IER=0x00; /* запретить прерывания TIM4 */ /*----ADC configuration и старт АЦП----*/

/* Инициализация D0 для АЦП */

LCD->PM[0] &= 0x7F; /* маскирование нулем PD0 seg07 */

/* отключение seg07 индикатора LCD*/

ADC_Config();

LCD_GLASS_ScrollSentence(«измерение абсолютное»,1,320); i2=0;

while (Knopka<8) /* измерение до 8-го нажатия кноки */ {

indcon = ADCsr-ADCnul; if (indcon < 0)

{GPIOE->ODR |= 0x80; /* Green LED ON */

GPIOC->ODR &= 0x7F; /* Blue LED OFF */

}

else

{GPIOC->ODR |= 0x80; /* Blue LED ON */

GPIOE->ODR &= 0x7F; /* Green LED OFF */

}

/* формирование 3 символов из числа indcon: */ indicator_3(); /* индикация числа из 3 символов */ i2 = i2 + 1; if (i2 > 18) { if (Knopka < 5)

LCD_GLASS_ScrollSentence(«ноль — кнопка», 1,420); i2 = 0; }

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Di Iorio B.R., Scalfi L., Terracciano V., Bellizzi V. A systematic evaluation of bioelectrical impedance measurement after hemodialysis session. Kidney International. 2004. V. 65. № 6. С. 2435-2440.

2. Haroun D., Viner R.M., Darch T.S., Wells J.C.K., Taylor S.J.C., Hayward R.S., Eaton S., Cole T.J. Validation of bioelectrical impedance analysis in adolescents across different ethnic groups. Obesity. 2010. V. 18. № 6. С. 1252-1259.

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ

Аксенов Владимир Петрович — доцент, Дальневосточного федерального университета, [email protected].

UDC 615.1/4

MEASURING DEVICE FOR ASSESSING HUMAN RESPONSES ELECTROMAGNETIC RADIATION OF LOW FREQUENCY Aksenov Vladimir Petrovich, Professor, far Eastern Federal University, [email protected], Russia.

I consider the principle of the measuring device manufactured, given its metrological characteristics of the experimental data. The device contains two measuring channels for measuring the resistance of human skin and measuring light finger. Additionally the diagnostic evaluation device performs functions of human response to low-frequency electromagnetic radiation. Article contains the software for microcontroller.

Key words: device, measuring, resistance, response, radiation, diagnostic, microcontroller.

REFERENCES

1. Di Iorio B.R., Scalfi L., Terracciano V., Bellizzi V. A systematic evaluation of bio-electrical impedance measurement after hemodialysis session. Kidney International, 2004, Vol. 65, Vol. 6, pp. 2435-2440.

2. Haroun D., Viner R.M., Darch T.S., Wells J.C.K., Taylor S.J.C., Hayward R.S., Eaton S., Cole T.J. Validation of bioelectrical impedance analysis in adolescents across different ethnic groups, Obesity, 2010, V0l. 18, No 6, pp. 1252-1259.

УДК 616 © В.А. Кантур, В.В. Петросьянц, 2014

МЕТОД ДИСТАНЦИОННОГО ИНФОРМАЦИОННО-ВОЛНОВОГО ТЕСТИРОВАНИЯ ПРИРОДНЫХ СРЕД

Предложен метод дистанционного бесконтактного исследования объектов природных сред, основанный на информационно-волновом резонансе полевых структур природных объектов с полевыми структурами информационно-волнового генератора. Приведены функциональная схема экспериментального комплекса информационно-волнового теста и принцип работы. Приведены результаты тестирования горной породы на наличие в ней драгоценных металлов. Экспериментально, с помощью предлагаемого метода информационно-волнового теста, доказана возможность исследования объектов природных сред.

Ключевые слова: дистанционный, информационно-волновой тест, природные среды.

В 80-ых годах прошлого века академик РАН Казначеев В.П. установил феномен энергоинформационного обмена, существующий между клетками отдельных органов, функциональными системами организма человека и между организмом и внешней средой [1]. Учитывая то, что человек является открытой системой, мы вправе предположить существование в организме каналов, обеспечивающих связь организма с внешней средой. Если в организме человека таким каналом являются акупунктурные меридианы, с находящимися на них акупунктурными точками, служащими для осуществления связей между клетками и органами организма в целом, то в роли связи организма с внешней средой могут выступать полевые структуры, связанные с энергетическими центрами человека. Наличие данных центров в организме человека установили отечественные и зарубежные исследователи [2,3,4,5]. Развитие блоков в выявленных центрах, по их мнению, ведет к нарушению энергоинформационного гомеостаза (состояния, при котором нарушается обмен информацией и энергией, обусловленной биоэлектрическими потенциалами функционирующих клеток в функциональных системах организма человека) и изменению психосоматического состояния человека. Вследствие развития блоков в энергетических центрах и вызванного ими

нарушения энергоинформационного гомеостаза в органах, функционально связанных с данными центрами, в клетках этих органов развиваются нарушения метаболических процессов с формированием собственно заболеваний в классическом понимании болезни. Таким образом, можно предположить, что блоки в энергетических центрах человека являются следствием как процессов, протекающих внутри человека, так и процессов, происходящих в окружающей среде.

В работах Ю.В. Готовского [6] показано, что при воздействии на организм электромагнитным излучением с фиксированными частотами снимаются блоки в энергетических центрах организма. Вследствие этого восстанавливаются энергоинформационный гомеостаз в клетках, активность метаболических процессов и структура поврежденных клеток, что приводит к нормализации психофизического состояния человека.

Мы полагаем, что любые природные объекты и среды воздействуют на человека дистанционно через свои полевые структуры. Любой объект, попадая в полевые структуры человека, вызывает информационный отклик в энергетических центрах с последующим изменением функционального психосоматического состояния.

Цель настоящей работы — исследование возможности считывания информации с объектов природных сред, находящихся в пределах взаимодействия с полевыми структурами человека.

Функциональная схема экспериментальной установки информационно-волнового теста (ИВТ) приведена на рис. 1.

Экспериментальная установка ИВТ включает в себя: информационно-волновой генератор (ИВГ), персональный компьютер (ПК), устройство считывания и преобразования информации (УСПИ), состоящее из первичного измерительного преобразователя, датчика и аналого-цифрового преобразователя. Мощность сигнала на выходе ИВГ менее 0,05 Вт.

ИВГ Оператор

I 1

ПН УСПИ

Рис. 1

Принцип работы установки следующий: оператор с помощью персонального компьютера задаёт так называемый информационный маркер, который в виде сигнала с импульсно-кодовой модуляцией поступает на вход ИВГ. С выхода ИВГ электрический сигнал с помощью специальной антенны преобразуется в электромагнитный сигнал, который воздействует на оператора. Если исследуемый объект находится в зоне чувствительности полевых структур человека, то на выходе УСПИ формируется соответствующий сигнал, который будет наблюдаться оператором на экране компьютера.

В качестве примера приводится описание эксперимента по тестированию наличия золота в куске руды. В эксперименте было задействовано поочерёдно 10 добровольцев-операторов в возрасте 25-35 лет. Каждый оператор проводил самостоятельно десять измерений. Рассчитывалось среднее значение Х, ошибка средней величины М, достоверность полученных результатов Р по всем измерениям.

Тестирование проводилось в два этапа: калибровка и измерение. На этапе калибровки у каждого оператора измерялся уровень психосоматических реакций (использовались датчики сопротивления кожных покровов и датчики световой проводимости сосудов) на воздействие полевых структур, формируемых на выходе ИВГ с применением информационно-волнового маркера. В информационно-волновом маркере кодировалась информация о золоте. На этапе измерения золотоносная руда помещалась в зону чувствительности полевых структур человека, что приводило к изменению психосоматических реакций оператора. Психосоматические реакции наблюдались только при наличии объекта исследования (золота) в зоне чувствительности оператора. Экспериментальная установка надежно фиксировала наличие тестируемого объекта на расстоянии до З метров от оператора.

Результаты эксперимента по определению наличия золота в зоне чувствительности по методу ИВТ следующие: в режиме калибровки (золото вне зоны чувствительности) показатели ИВТ составили 74,5±0,9 у.е. При измерении (золото в зоне чувствительности) показатели ИВТ — 38,2±1,2 у.е. Представленные измерения определены с достоверностью Р <0,001.

Аналогичные исследования с похожими результатами проводились для тестирования самых различных объектов, что подтверждает возможность практического применения, предложенного авторами, информационно-волнового метода тестирования для исследования природных сред.

Выводы

Экспериментально подтверждена возможность дистанционного исследования (тестирования) природных сред с использованием метода информационно-волнового теста, основанного на взаимодействии полевых структур информационно-волнового генератора, исследуемого объекта и человека.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Казначеев В. П., Михайлова. Л. П. Биоинформационная функция естественных электромагнитных полей. — Новосибирск: Наука, Сиб. отд-ние, 1985. — 182 с.

2. Лувсан Г. Традиционные и современные аспекты восточной рефлексотерапии. - М: Наука, 1992.

3. Бирюков В. Вибрационная терапия. — Санкт-Петербург: Изд-во Крылов, 2010. — 185 с.

4. Гербер Р. Вибрационная медицина. Пер. с англ. — М: София, 2008. — 592 с.

5. R. Miller, «Bridging the Gap: An Interview with Valerie Hunt, Ed.D.» Science of Mind, October 1983.

6. Готовский Ю.В., Косарева Л. Экзогенная биорезонансная терапия фиксированными частотами. Методическое пособие. - М: Имедис, 2011.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Кантур Владимир Алексеевич — доктор медицинских наук, профессор, [email protected],

Петросьянц Виктор Владимирович — кандидат технических наук, профессор, [email protected], Дальневосточный федеральный университет.

UDC 616

METHOD OF REMOTE INFOWAVE TESTING NATURAL ENVIRONMENT

Kantur Vladimir A., Far Eastern Federal University, [email protected], Russia, professor, doctor of medical sciences,

Petrosyants Viktor V, Far Eastern Federal University, [email protected], professor, doctor of technical sciences, Russia.

The method of remote contactless research objects of the environment, based on information-wave resonance field structures of natural objects with the field of information-wave generator is proposed. Functional diagram the experimental complex information-wave test and principle of operation are shown. The results of testing of the rock on the content of precious metals are given. Experimentally, using the proposed method of information-wave test, proven ability to identify objects of natural environments.

Key words: remote, information-wave test, the natural environment.

REFERENCES

1. Kaznacheev V.P., Mihajlova. L. P. Bioinformacionnaja funkcija estestvennyh jelektro-magnitnyh polej (Bioinformation function of natural electromagnetic fields), Novosibirsk, Nauka, Sib. otd-nie, 1985, 182 p.

2. Luvsan G. Tradicionnye i sovremennye aspekty vostochnoj refleksoterapii (Traditional and modern aspects of Eastern reflexology), Moscow, Nauka, 1992.

3. Birjukov V. Vibracionnaja terapija (Vibrational therapy). Sankt-Peterburg: Izd-vo Kry-lov, 2010, 185 p.

4. Gerber R. Vibracionnaja medicina (Vibrational medicine), Per. s angl, Moscow, Sofija, 2008, 592 p.

5. R. Miller, «Bridging the Gap: An Interview with Valerie Hunt, Ed.D.» Science of Mind, October 1983.

6. Gotovskij Ju.V., Kosareva L. Jekzogennaja biorezonansnaja terapija fiksirovannymi chastotami (Exogenous bioresonance therapy is fixed frequencies), Metodicheskoe posobie. Moscow, Imedis, 2011.

УДК 621.396.6:621.397

© А.Ф. Ломакин, Г.А. Стеценко, С.И. Школьный, 2014

АНАЛИЗ ДАННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ SFN DVB-T Г.ВЛАДИВОСТОКА

Рассматриваются вопросы технологии измерений электромагнитного поля SFN DVB-T г. Владивостока и анализа данных полевых экспериментов. Установлено, что внутри зоны обслуживания SFN DVB-T распределение напряженности поля имеет неравномерный характер, выявлены проблемные участки в некоторых районах города, где качество сигнала не удовлетворяет требованием ГОСТа.

Ключевые слова: Измерения напряженности электромагнитного поля, од-ночастотная сеть DVB-T, зона обслуживания.

При внедрении цифрового эфирного телевещания в городе Владивостоке ставилась задача обеспечения полного покрытия зоны обслуживания с заданными показателями качества (95% по времени и 95% по местности) при условии допустимого значения уровня помехи на телевизионные приемники при фиксированном приеме [1]. Для достижения этих показателей в условиях сложного рельефа города и вызванного этим наличия переотраженных сигналов спланирована и запущена в эксплуатацию одночастот-ная сеть телевещания (SFN). В настоящее время осуществляется ее перевод на новый стандарт вещания. В связи с этим вопросы оценки качества вещания в зоне SFN в таких условиях весьма актуальны и представляют практический интерес. Целью настоящей работы явилось предварительный анализ данных измерений величины уровня сигнала DVB-T на входе абонентского устройства, ошибок по битам (BER), ошибок модуляции (MER) в заданных контрольных точках зоны обслуживания SFN.

Полевые измерения напряженности поля DVB-T проводились в соответствии с рекомендациями методики НИИР для определения зоны обслуживания передающей станции наземного цифрового ТВ-вещания стандарта DVB-T, касающихся только технологии измерений. Задача определения границ зоны обслуживания и принадлежности точки измерений к ней не ставилась

[2]. Использовалось измерительное оборудование: калиброванная всенаправленная измерительная антенна с фидером, калиброванная направленная измерительная антенна HE-200 с фидером, спектроанализаторы R&S ESMB и R&S ETL, тестовый приемник (для сигналов стандарта DVB-T) R&S EFA40, программный комплекс для обработки результатов измерений АРГУС R&S, GPS приемник. Схема коммутации измерительного оборудования представлена на рис. 1.

Следует отметить, что из-за влияния помех и неоднородно-стей среды распространения радиоволн, параметры сигнала DVB-T в зоне покрытия в нестабильны и подчиняются статистическим законам, в связи с чем, все расчеты и планирование ТВ-сетей осуществляются на основе усредненных за оговоренный период величин. Самым удобным и быстрым является способ определения медианных значений параметров, например, напряженности поля сигнала.

Методика измерений заключалась в следующем: в каждой контрольной точке зоны обслуживания на открытой квадратной площадке со стороной 100 м (малая зона приема) в течение не менее пяти - десяти минут спектроанализатором R&S ESMB, либо R&S ETL фиксировались уровни напряженности поля принимаемого сигнала (не менее 150 отчетов), а тестовым приемником - коэффициенты ошибок по битам (BER) и модуляции (MER). Данные измерений с привязкой к местности записывались в базу данных для последующей статистической обработки. Практика показала, в во Владивостоке в условиях плотной застройки весьма редко удается отыскать площадку по параметрам, близкую к рекомендованной

V

11енаправленная антенна

GPS-прием ник

Направленная антенна

V

ESMB R&S

АРГУС R&S

UFA. ETL R&S

Рис. 1. Схема коммутации измерительного оборудования

в виде квадрата с размерами 100x100 метров [2], чаще всего приходится довольствоваться открытыми участками улиц и дорог. Более достоверные результаты могут быть получены на площадках, расположенных на крышах домов доминирующих по высоте в выбранных малых зонах, что практически невыполнимо в реальных условиях.

Измерения напряженности электромагнитного поля сигнала DVB-T проводились для условий фиксированного типа приема, при этом измерительная антенна располагалась в дальней зоне излучения антенны станции НЦТВ в соответствие с рекомендациями [2]. Следуя руководству по эксплуатации, на спектроана-лизаторы устанавливались следующие параметры: — центральная частота, Fc (FREQ) - равная номинальной центральной частоте 37 ТВ-канала — 602,491 Мгц; — полоса обзора (SPAN) - 8 МГц; — полоса пропускания (RBW) - 40 кГц; — тип фильтра полосы пропускания (RBW) - нормальный (Normal); — полоса видео фильтра (VBW=3 RBW) - 120 кГц; — период развертки (Sweep time): для фиксированного приема: - 2 с; — детектор -среднеквадратический (RMS); — режим отображения (TRACE) -«очистить/записать» (Clear/Write); — единица отображения результата измерения (Unit) - дБ (отн. 1 мкВ). Ширина полосы канала (Channel bandwidth) устанавливалась равной 7,61 МГц.

Далее выполнялась процедура измерений напряжения сигнала иизм в дБ (отн. 1 мкВ) и рассчитывалась электрическая составляющая напряженности электромагнитного поля Еи с учетом коэффициента калибровки измерительной антенны по соответствующей формуле [2].

Для каждой контрольной точки ансамбль отчетов подвергался статистической обработке — вычислялась медиана и стандартное отклонение. Стандартное отклонение вычислялось в соответствии с [3], по формуле (1):

где окр — стандартное отклонение напряженности поля, Еп - напряженность поля п-го отчета, ц — среднее арифметическое значение всех напряженностей поля в точке.

(1)

По величине стандартного отклонения, оценивался тип канала приема в каждой точке, после чего по формулам 2 или 3 (в зависимости от полученного типа канала) вычислялась поправка к измеренной напряженности поля.

C / N . - C / N

рэлея =-¡^-^ - 3), (2)

C / N . - C / N

С =_¡^_гаУсс *(а _ 1) (3)

а _ райса 2 SP '

где — поправка к измеренной напряженности поля в ка-

нале Рэлея, Coj^a — поправка к измеренной напряженности поля в канале Райса, C/Nрэлей, C/Nщйсл, C/Nгаусса - поправка к требуемому отношению сигнал шум при различных каналах приема, из ГОСТ [4].

Все измерения производились на высоте 1,5 метра над землей, что соответствует условиям портативного приема. Для условий фиксированного приема измеренные значения напряженности поля корректировались на высоту 10 метров увеличением на 12 дБ, как следует из [5]. Общее количество контрольных точек измерений (малых зон приема) в одночастотной сети DVB-T превысило 900, небольшая часть из которых относится к открытому типу трассы распространения сигнала, а большая часть - к полузакрытому и закрытому.

Во всех точках измерения осуществлялось измерение напряженности поля сигналов всех полезных передатчиков ОЧС формирующих покрытие с использованием направленной измерительной антенны, развернутой в направлении отдельно для каждого полезного передатчика. Фиксировался больший результат, а максимум напряженности поля полезного сигнала измерялся путем поворота направленной антенны на 360°.

Контрольные точки измерений задавались исходя из анализа модельных расчетов зоны покрытия SFN г. Владивостока и предпочтение отдавалось измерениям в проблемных зонах. Для выявления возможных проблемных областей рассчитывалась зона покрытия SFN с использованием модели Лонгли-Райса (верифицированный программный комплекс Radio Mobile (версия 11.4.3)) [6] и электронных карт территории с разрешением в 3 арк секунды (90 м).

В соответствие с проектом РТРС существующая г. Владивостока рассчитана для работы в стандарте БУБ-Т на 37-ом телевизионном канале и фиксированного типа приема сигнала, что подразумевает использование направленных приемных антенн с высотой подвеса не менее 10 метров над уровнем земли. Для расчета покрытия сети использовался процент местоположений равный 95%. Основные характеристики г. Владивостока представлены в табл. 1.

Таблица 1

Основные характеристики г. Владивостока

Характеристики Значение

Общие характеристики сети БУБ-Т

Тип сети Одночастотная (SFN, рекомендация ETSI EN 101 191), синхронная зона «Vladivostok»

Количество мультиплексов 1

Номер канала 37

Стандарт цифрового эфирно- DVB-T (ETSI EN 300 744)

го вещания

Тип цифрового телевизионного сигнала БУБ-Т

вид модуляции 64QAM, без иерархии

защитный интервал '/4

система исправления ошибок (ТЕС) %

стандарт кодирования видеосигналов MPEG-4 part 10 (ISO/IEC 14996-10) MP@L30F(MPEG-4)

стандарты кодирования звуковых сигналов MPEG-1 LayerII (IS O/IEC 11172-3), MPEG-2 AAC (ISO/IEC 13818-7), MPEG-41 HE-AAC (ISO/IEC 14496-3)

Информационная скорость в 22,39 Мбит/с

телевизионном сигнале

Характеристики сети цифровых эфирных станций

Количество цифровых эфир- 21

ных станций

Тип транспортной сети спутниковая

Информационные характеристики сети

Количество телевизионных 8

программ в мультиплексе

Количество радиопрограмм в 3

мультиплексе

Режим передачи телерадио- Статистическое мультиплексирование

программ

Режим приема Фиксированный прием

Так как исследуемая SFN г. Владивостока является частью синхронной зоны «Vladivostok» [1], для оптимального учета влияния всех передатчиков одночастотной сети на формирование зоны обслуживания при модельных расчетах необходимо учитывать передающие станции, принадлежащие данной синхронной зоне и расположенные в пределах, ограниченных величиной защитного интервала. Для выбранного режима передачи сигнала DVB-T 8К, 64QAM, FEC = 3/4, Gi = 1/4, величина защитного интервала составляет 224 мкс, а максимальное расстояние между пунктами установки цифровых телевизионных передатчиков в синхронной сети не должно превышать 67 км. Тогда область, в которой находятся все передатчики обязательные для учета в расчетах, представляет собой участок ограниченный с юга островом Русский (широта 42°57'22.82«С), с севера с. Кондратеновкой (широта 43°35'59.12«С), с востока пос. Стеклянуха (долгота 132°28'43«В) и с запада пос. Славянка (долгота 131°23'06«В). Перечень и характеристики цифровых радиотелевизионных передающих станций исследуемой SFN г. Владивостока можно найти в [1]. На рис. 2 приведено местоположение передатчиков исследуемой одночастотной сети. Основной передатчик «Владивосток», мощностью 5кВт, расположен на сопке «Орлиная».

Для расчета зоны покрытия SFN г.Владивостока приняты параметры передающих станций, включая диаграммы направленности антенн, в строгом соответствие с проектом ФГУП РТРС (см. соответствующие таблицы в [1]).

Фрагмент зоны обслуживания SFN г. Владивостока и прилегающих территорий рассчитанной по модели Лонгли-Райса представлен на рис. 3. Красным цветом на рисунке обозначены области, где рассчитанные величины напряженности поля сигнала DVB-T превышают требуемые в соответствие с ГОСТом для условий фиксированного приема уровни сигнала DVB-T (58 дБмкВ/м).

Анализ результатов модельных расчетов показал — расчетная SFN г. Владивостока отвечает заявленным в проекте РТРС параметрам — процент местоположений для условий фиксированного приема достигает 95%. В то же время в пределах городской застройки выявляются участки с уровнем сигнала ниже требуемого. На рисунке отмечены наиболее явные из них — предполагаемые основные «зоны теней» SFN DVB-T, в которых могут

( - передающая станция Рис. 1. Расположение передающих станций исследуемой SFN

наблюдаться проблемы с приемом телевизионного сигнала. Это густозаселенные части города — районы Стрелковой 2 и Снеговой пади 1, бухты «Тихой» 3. Помимо этого, выявляются и другие малые проблемные участки в районах ул. Черняховского и Ватутина, некоторых районах г. Артема. Эти выделенные по модельным расчетам участки и приняты в качестве основных областей, в которых в дальнейшем проводились измерения.

Зона г. Владивостока характеризуется сложными условиями распространения сигналов БУБ-Т. Подавляющая часть измерений в нашем случае пришлось проводить в условиях плотной застройки. Городская среда создает специфические условия для распространения радиоволн (большие и малые теневые зоны, многократные отражения от стен зданий и рассеяние радиоволн) и формирует многолучевые электромагнитные поля со сложной интерференционной структурой, что вызывает значительное ослабление сигнала вплоть до уровня, на котором становится невозможным прием.

Результаты обработки данных полевых измерений показывают, прежде всего, что для сильно пересеченной местности г. Владивостока характерны значительные пространственные вариации

РУССКИЙ

Рис. 2. Фрагмент расчетной зоны обслуживания SFN г.Владивостока и прилегающих территорий

напряженности поля БУБ-Т. Установлено, что даже в пределах малой зоны приема (100 х 100 м) возможны флуктуации уровня напряжённости поля в 5-10 дБ, а его стандартное отклонение может достигать 8 дБ. Расчеты показали — видами канала приема практически для всего города являются каналы Райса и Рэлея, с преобладанием последнего. В качестве примера, в табл. 2 представлена выборка результатов измерений напряженности поля и расчетов статистических параметров в направлении основная передающая станция на сопке «Орлиная» - дополнительная передающая станция в поселке Раздольном.

Видно, что в данном, «северном» направлении от основной передающей станции на расстоянии более 4 км (малая зона № 24) нормированная напряженность поля намного ниже критической, а в пределах 20 км намного выше. Такое явление резких «падений» напряженности поля наблюдается и в некоторых других местах приема. Возможная причина - влияние на характер поля в месте приема явления интерференции двух волн — нижней (переотраженной ровной подстилающей поверхностью) и верхней (прямой) [2]. Их сложение и вычитание при распространении над относительно гладкой поверхностью может сопровождаться изменениями напряженности поля, что и фиксируется при измерениях. Кроме этого плотная городская застройка и рельеф также являются возможной причиной значительных вариаций напряженности поля.

Результаты измерений напряженности поля в направлении «основной передатчик сопка «Орлиная -Раздольное»

Номер малой зоны измерений Долгота Широта Измеренная напряженность поля, (1ВмкВ/м Расстояние, км osp Корректирующий коэффициент (Поправка на тип канала, дБ) Нормированная напряженность поля, (1ВмкВ/м

410 131°54'25Д«Е 43°07'59,9«N 72,53 1,40 4,58 6,65 65,88

17 131°54'56,2«Е 43°10'09,0«N 85,17 5,32 3,28 1,19 83,98

24 131°57'18Д«Е 43°12'49,3«N 54,36 10,85 4,04 4,37 49,99

30 131°57'55,9«Е 43°15'10,8«N 73,45 15,26 2,18 0,65 72,80

37 131°59'40,6«Е 43°17'55,9«N 68,61 20,80 2,76 0,96 67,64

42 131°59'59,8«Е 43°20'20,6«N 64,34 25,18 1,64 0,35 63,99

88 132°00'36,0«Е 43°23'00,0«N 65,68 29,90 2,88 1,03 64,64

Результаты измерений параметров сигнала БУВ-Тв проблемных зонах

№ малой зоны измерений Координаты центра зоны Расчетная медиана измерений в зоне с учетом поправки на высоту, дБмкВ/м Стандартное отклонение Корректирующий коэффициент Нормированное значение медианы в зоне измерений, дБмкВ/м

Бухта Тихая

312 131°57'58,8«Е 43°05'28,9«К 61,80 4,24 5,19 56,60

318 131°58'44,8«Е 43°05'44,7«К 68,64 3,97 4,09 64,55

319 131°58'25,9«Е 43°05'46,7«К 70,24 4,33 5,58 64,66

320 131°58'13,6«Е 43°05'35,5«К 63,97 4,70 7,12 56,84

322 131°57'59,5«Е 43°05'26,3«К 64,88 4,26 5,28 59,60

Стрелковая Падь

423 131°57'34,1«Е 43°06'52,3«К 69,55 4,68 7,05 62,50

425 131°57'24,4«Е 43°06'24,8«К 69,85 4,74 7,32 62,53

430 131°57'27,2«Е 43°06'27,8«К 70,34 4,13 4,76 65,58

431 131°57'31,1«Е 43°06'37,1«Ы 65,11 3,43 1,79 63,32

433 131°57'17,2«Е 43°06'37,9«К 65,60 4,93 8,09 57,51

Выше отмечалось — в соответствие с требованиями ГОСТа минимальная медианная напряженность поля для канала Рэлея при вероятности охвата мест 95% составляет 58 дБмкВ/м [2]. Данные измерений подтвердили наличие в пределах зоны обслуживания г. Владивостока выявленных в результате модельных расчетов проблемных областей, уровень напряженности сигнала в которых намного ниже этого критического. Ими являются характерные участки районов города Снеговая и Стрелковая падь, бухты Тихой, части улиц Черняховского и Ватутина, бухты Диомид, ст. Весенней. В качестве примера в табл.3 и на рис. 4 представлены результаты измерений в некоторых характерных точках «теневых зон» в районе Стрелковой пади и бухты Тихой.

Измеренные и расчетные данные также свидетельствуют о наличии участков, в пределах которых нормированная напряженность поля превышает минимальную требуемую для данных параметров сети величину, однако, из-за высоких значений битовых и модуляционных ошибок качественный прием сигнала DVB-T невозможен (см. рис. 4, 5). Скриншот с экрана R&S ETL зафиксированный при измерениях в малой зоне № 321, район бухты Тихой (сигма = 7 дБ, канал Релея) и представленный на рис. 5 демонстрирует этот типичный случай.

Таким образом, результаты измерений подтверждают известные предположения, что даже при высоких мощностях телевизионного передатчика внутри зоны покрытия могут существовать участки тени, обусловленные дифракционными потерями из-за сложного рельефа города.

Рис. 3. Результаты модельных расчетов и измерений параметров сигнала БУБ-Т в проблемных зонах

Рис. 4. Скриншот с экрана R&S ETL при измерениях в малой зоне № 321, район бухты Тихой (сигма = 7 дБ, канал Релея)

В целом, экспериментальные исследования показали, что использование одночастотных синхронных передатчиков и в г. Владивостоке стало эффективным способом обеспечения покрытия наземным телевизионным вещанием в условиях сложного рельефа и плотной городской застройки. Однако, при внедрении цифрового телевизионного вещания нового поколения необходимо заложить запас на эффекты влияния отраженных сигналов, многолучевости и т.п., который может быть реализован применением достаточно длительного защитного интервала.

Выводы

1. Полученные предварительные результаты оценки качества зоны обслуживания БУБ-Т г.Владивостока свидетельствуют о достаточном уровне сигнала при фиксированном приеме при наличии коллективной антенны на крыше здания.

2. Анализ данных измерений в БУБ-Т г. Владивостока показывает, что внутри зоны обслуживания распределение напряженности поля имеет неравномерный характер, наблюдаются проблемные участки в некоторых районах города и его пригородов. Подтверждено предположение, что даже при высоких мощностях

телевизионного передатчика внутри зоны покрытия существует несколько участков тени, обусловленных дифракционными потерями вызванных сложным рельефом города. Экспериментально установлено — видами канала приема практически для всего города являются каналы Райса и Рэлея, с преобладанием последнего.

3. Измерения, в целом, подтвердили результаты модельных расчетов для открытых и полузакрытых трасс распространения сигнала. В тоже время для закрытых трасс прогноз напряженности поля по модели Лонгли-Райса демонстрирует завышенные, значения уровня сигнала по отношению к измеренным. Полученные результаты могут быть объяснены существенным упрощением модели Лонгли-Райса при учете некоторых особенностей распространения сигнала на реальных трассах. Очевидно, что в условиях сильнопересеченной местности, методы расчета напряженности электромагнитного поля, более детально учитывающие рельеф подстилающей поверхности, должны показывать более точный результат.

4. Поскольку планирование цифровой системы вещания требует гарантий качества обслуживания в терминах процентов мест и времени, для более точного определения параметров распределения временных и климатических вариаций сигналов DVB-T требуются дальнейшие исследования, которые должны охватывать, в том числе, и различные сезонные и климатические условия г. Владивостока.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Системный проект: Сеть цифрового наземного вещания на территории приморского края (первый частотный мультиплекс), ФГУП «РТРС», 2010 г.

2. Методика определения зоны обслуживания одиночной передающей станции наземного цифрового ТВ-вещания стандарта DVB-T. Утверждена решением ГКРЧ от 16 марта 2012 г. № 12-14-09.

3. Rec. ITU-R SM.1875-0. DVB-T coverage measurements and verification of planning criteria, 04/2010.

4. ГОСТ РФ «Телевидение вещательное цифровое. Планирование наземных сетей наземного цифрового вещания. Технические основы».

5. Евгений Петров. Одночастотные сети цифрового эфирного вещания - преимущества и особенности построения. Журнал «Broadcasting. Телевидение и радиовещание» #2, 2006

6. http://www.cplus.org/rmw/english1.html

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Ломакин Александр Федорович — кандидат географических наук, доцент, [email protected],

Стеценко Георгий Алексеевич — магистр, [email protected], Школьный Станислав Игоревич — аспирант, [email protected], Дальневосточный федеральный университет.

UDC 621.396.6:621.397

ANALYSIS OF THESE MEASUREMENTS OF INTENSITY OF THE ELECTROMAGNETIC FIELD SFN DVB-T OF VLADIVOSTOK

Lomakin A.F., candidate of geographical Sciences, associate Professor, Russia, lomakinl [email protected],

Stetsenko G.A., master, [email protected], Russia, Schoolnyy S.I., graduate, [email protected], Russia, Far Eastern Federal University.

Questions of technology of measurements of intensity of the electromagnetic field SFN DVB-T of Vladivostok and the analysis of these field experiments are considered. It is established that in a zone of service of SFN DVB-T distribution of intensity of a field has uneven character, problem sites in some districts of the city where quality of a signal doesn't satisfy with the requirement of state standard specification are revealed.

Key words: Measurements of intensity of an electromagnetic field, single-frequency DVB-T network, service zone.

REFERENCES

1. Sistemnyj proekt: Set' cifrovogo nazemnogo veshhanija na territorii primorskogo kraja (pervyj chastotnyj mul'tipleks), FGUP «RTRS», 2010.

2. Metodika opredelenija zony obsluzhivanija odinochnoj peredajushhej stancii nazemnogo cifrovogo TV-veshhanija standarta DVB-T. Utverzhdena resheniem GKRCh ot 16 marta 2012 g. No 12-14-09.

3. Rec. ITU-R SM.1875-0. DVB-T coverage measurements and verification of planning criteria, 04/2010.

4. GOST RF «Televidenie veshhatel'noe cifrovoe. Planirovanie nazemnyh setej nazem-nogo cifrovogo veshhanija, Tehnicheskie osnovy».

5. Evgenij Petrov. Odnochastotnye seti cifrovogo jefirnogo veshhanija — preimushhestva i osobennosti postroenija (SFN digital broadcasting - advantages and features of construction). Zhurnal «Broadcasting. Televidenie i radioveshhanie», No 2, 2006.

6. http://www.cplus.org/rmw/english1.html

УДК 622.23.05

© Н.С. Сошина, И.В. Гарасев, А.В. Ким, 2014

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ВОЗДЕЙСТВИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ ШАХТ НА ОРГАНИЗМ ЧЕЛОВЕКА

Рассмотрены профессиональные болезни, возникающие от вибраций и шумов упругих волн у шахтеров. Предложена математическая модель, описывающая поведение цилиндрических волн в штольнях. Для расчета граничных условий поверхности, а также расчет поля внутри объема в любой точке используется функция Грина. Экспериментально доказано отрицательное влияние ультразвуковых волн на центральную нервную систему, головной мозг, костно-суставной аппарат, сердечно-сосудистую систему, органы дыхания, пищеварения, кохлеарный нерв. Эти данные позволяют сформулировать понятия о шумовой и вибрационной болезни как о самостоятельных формах профессиональной патологии.

Ключевые слова: шахта, вибрация, шум, цилиндрические волны, профессиональная болезнь, эксперимент, ультразвуковой диапазон.

Основными источниками искусственных физических полей служат энергетические и горнодобывающие комплексы, а естественных физических полей - тектонические явления, эмиссия горных пород и т.д. Искусственные физические поля, хотя и локализуются в достаточно ограниченных пространствах, по интенсивности проявления воздействия на окружающую среду могут существенно превосходить свои естественные аналоги.

Искусственного происхождения динамические поля включают акустическое (шумовое) поле, поле вибрации и поле индуцированной сейсмичности. Шум и вибрацию относят к числу самых неблагоприятных факторов, определяющих состояние здоровья человека, городской среды и экологическую обстановку в городах.

Вибрация представляет собой сложное периодическое (или близкое к периодическому) механическое колебание. Искусственными источниками вибрации являются - различные двигатели, транспортные средства, акустические системы, виброинструменты. Передаваясь через арматуру, почву, перекрытия, воду, атмосферу, вибрация может распространяться на значительные расстояния и достигать отдельных участков тела человека или

воздействовать на всего человека, вызывая локальное или общее воздействие (локальная или общая вибрация).

Частотный спектр вибрации охватывает инфразвуковые частоты - до 16 Гц, звуковые - от 16 до 20 000 Гц и ультразвуковые -свыше 20 000 Гц. Частота колебаний, способных вызвать у человека наибольшее специфическое вибрационное ощущение, обычно лежит в области до 8000 Гц. Вибрация, как раздражитель, характеризуется колебательной мощностью и продолжительностью воздействия на организм.

Биологический эффект действия вибрации определяется локальной интенсивностью энергии колебаний, вызывающей в тканях переменные напряжения: сжатия и растяжения, сдвиг от естественной оси покоя, кручения, изгибы тканей и жидкостей. Вибрация облегчает циркуляцию жидкостей, может вызывать распад молекул в клеточной протоплазме, интенсифицирует ферментативные реакции, увеличивает проницаемость клеточных мембран, способна вызвать перестройки в хромосомном аппарате клеток.

При локальной вибрации в первую очередь страдает регуляция тонуса периферических кровеносных сосудов. При локальной вибрации возникают патологические изменения в нервно-мышечном аппарате: снижается электровозбудимость и лабильность мышц, периферических нервов, ослабляются рефлексы, нарушается двигательная координация. У шахтеров, длительно работающих с виброинструментами, снижается сила, тонус и выносливость мышц, в мышцах возникают очагиуплотнения, болезненные тяжи, развиваются атрофии.

Общая вибрация вызывает аналогичные расстройства во всей двигательной сфере. Но сильно страдает центральная нервная система (ЦНС), так как она оказывается под влиянием мощных афферентных потоков с огромного количества механорецепторных структур. При этом снижается амплитуда ЭКГ, наступает депрессия альфа-ритма, в коре головного мозга начинают преобладать тормозные процессы, нарушаются корково-подкорковые взаимоотношения, возникают вегетативные дисфункции. Клинически это выражается в утомлении, депрессии или раздражительности, головных болях и других расстройствах вплоть до развития устойчивых тяжелых неврозов, ведущих к появлению профессиональных болезней.

Таким образом, при длительном воздействии вибрации у человека развивается вибрационная болезнь. Хроническое воздействие вибрации вызывает прогрессирующие гистологические, гистохимические, биохимические изменения в органах итканях: отеки и кровоизлияния в головном и спинном мозге, дистрофические изменения нейронов, нервных стволов, дистрофические изменения в мышечной ткани и разрывы мышц, разрастание соединительной ткани, отеки, кровоизлияния и дистрофические изменения в паренхиматозных органах, нарушения морфологического ибиохимического состава крови. В артериях находят изменения, подобные таковым при облитерирующем эндарте-риите. Возможны трофические изменения кожи и ее придатков, вплоть до развития гангрены пальцев. В костно-суставном аппарате развиваются остеопороз, деформирующий артроз, остео-хондропатия, возможны асептические некрозы головок костей, уплотнения с отложением извести, остеофитов.

Вибрационная болезнь, обусловленная воздействием общей вибрации, отличается значительными изменениями ЦНС и протекает с полиневротическим и мигренеподобным синдромами.

Еще одним из вредных факторов, влияющих на шахтера является воздействие акустических (шумовых) колебаний.

Шум - беспорядочное сочетание различных по силе и часто -те звуков. Он имеет определенную частоту, выражаемую в герцах, и интенсивность - уровень звукового давления, измеряемый в децибелах. Нормируемым параметром шума является его интенсивность. На рабочем месте он допустим с интенсивностью в 85 дБ. При работе мощных двигателей интенсивность шума может быть 120-150 дБ; бытовой шум, связанный с жизнедеятельностью людей, составляет 45-60 дБ.

По характеру спектра шум подразделяют на широкополосный и тональный, по спектральному составу - на низкочастотный (ниже 400 Гц), среднечастотный (400-1000 Гц) и высокочастотный (более 1000 Гц); по временным характеристикам - на постоянный и непостоянный (колеблющийся, прерывистый, импульсный - менее 30 звуковых импульсов в секунду).

Специфическое воздействие шума заключается в развитии тугоухости в результате поражения кохлеарного нерва. Как правило, оба уха страдают одинаково. Начальные проявления про-

фессиональной тугоухости развиваются у шахтеров, проработавших в условиях интенсивного шума (более 85 дБ) около 5 лет. Риск потери слуха при 10-летней продолжительности воздействия шума при уровне 90 дБ составляет 10%, при 100 дБ - 30%, при 110-120 дБ -55%.

Как показали исследования, шум оказывает повреждающее действие не только на орган слуха, но и на другие органы и системы человека. Воздействие шумового фактора вызывает прежде всего функциональные расстройства центральной нервной системы и повреждения нервных структур. Подобное воздействие шума установлено на другие системы: сердечно-сосудистую, органы дыхания, пищеварения, иммунную, кроветворения. Эти данные позволили сформулировать понятие о шумовой болезни как самостоятельной форме профессиональной патологии.

Эти изменения приводятк дистрофическим изменениям внутренних органов, к преждевременному старению организма в целом. Установлено, что воздействие шумов низкочастотного спектра и инфразвука приводит к более ранним и более выраженным изменениям как в органе слуха, так и в других органах и системах. Основой воздействия инфразвуковых акустических колебаний являются сосудистые изменения микроциркуляторного русла органов, приводящие к застойным явлениям, дистрофии органов, к паранекротическим изменениям и некрозам очагового характера при выраженной интенсивности и длительности воз-действия.К шуму нет привыкания. Даже если субъективно длительный шум не мешает человеку, у него все равно могут возникнуть нарушения здоровья и преждевременное старение.

Примерно 10% людей имеют выраженную повышенную чувствительность к шумовому воздействию. У них раньше развиваются изменения в слуховом анализаторе, а также более выраженные неспецифические реакции со стороны нервной, сердечнососудистой и других систем.

Рассмотрим математическую модель, описывающую поведение цилиндрических волн в штольнях.

Для расчета граничных условий поверхности, а также расчет поля внутри объема в любой точке используется функция Грина. Граничные условия для любых типов поверхностей приведены в выражении (1):

РФ1 _ РгФг

дф _ дФ1 дп дп _Я1

Предположим, что в точке МО размещен пульсирующий источник, излучающий волну. Если Ф1 _ (кЯ) + Котп1 Н(2) (кЯ); ;

ф, _ Кпргя(1) (кЯ) .

Тогда р[Я(1) (кЯ) + К^Н™ (кЯ)] _ РК^ (к,Я);

дПкН^ (кЯ) + Котр1 (кЯ) _ Щадя« (к,Я).

Сделав простые преобразования, учтем, что при нормальном падении пульсирующей цилиндрической волны из точки М0 на цилиндрическую поверхность Я=Я1=щ с центром в М0 угол падения равен углу отражения и угол падения равен углу преломления упр= щ. То есть Котр1 не зависит от угла у в системе (Я у) и определяется акустическими параметрами сред (рс) и (рс)1 (в системе координат (г,ф) Котр1 зависит от угла падения ф, ф0.)

рсН(1) (к1а1) Н(1) (ка1 )-ргсгНГ (ка,) Н(1) (к1а1) т _ рсН(1)(ка,)Н(2)(ка,^р^(ка,)Н(1)(кЛ), ( )

где a =Vаф+r2- 2ro% cos (ф - Ф0 ).

Очевидно, для однородного пространства (рс)= (pc)i при больших аргументах, К1=Котр, Котр1=0, для акустически мягкой поверхности (рс)>> (pc)i, Котр1=-1, для акустически жесткой поверхности (рс)<< (pc)i, Котр1 = + 1.

Рассмотрим выражение, когда верхняя часть цилиндрической поверхности имеет волновое сопротивление (рс)\ и К1, а нижняя (рс)2 и К2.

Если источник расположен в центре координат, то подставляя выражение для коэффициента отражения (2) в формулу

Gw(MMo) = ± ± e'"mn;\kR-

п „t-o ы H(n)(kal) nAy,

Hf(kR)"

1 + K

отР1 и (1)

H„ (kR)

п п п

При Ау; = Ау2 = —, у, = у2 =-—, а = а, = а2, получим

пп 81П-

•X

1 -

1 да П71 ЛИ

п 2НП1 (ка,) п п

2

1 рсН(" (к, а, )Н 01) (каг) - р^Н« (каг) Н^1) (кд ) Н^ (кг) рсН;(1) (кЛ )Н 02) (ка ) + р^Н® (ка, )Н0!) (klal ^(кг)

пп

пп 81П-

-1~т п 2 +е 2--г---х

2НП1)(ка2) п п 2

рсН;(1) (к2а2)Н0;) (ка)-(рс)2Н;(1) (ка2)Н^ (к2а2)Н^-кг) рсН;(1) (к2а2)Н02) (ка) + (рс)Н(2) (ка2)Н0;) (к2а2^(кг) '

(3)

Последнее выражение позволяет вычислить поле внутри им-педансного цилиндра геометрии рис. 1 при г0=0, ф0=0, у= ф.

Проведя анализ выражения (3) и с учетом последующих преобразований поле, излученное Ь «направленными функциями Грина», в замкнутом объеме Ж не зависит от коэффициента отражения К; отдельных участков 1 и формы граничной поверхности 8 и определяется только акустическими параметрами внутри Ж.

в-(ММ0 )=Нг-Ь Н0"(кК)= 2

Н У(касф)Н 0

(!)

(кл]г2 + г02 - 2гг0 с°8 (ф - Фо )) • (4)

(ММо) = -1]Г ^Ау,¿К*^ , (5)

? п п=-м у; Н„ (касф) К, =1

где К , определяется выражением (2).

Рис. 1. Импедансный цилиндр

Из выше сказанного следует что, поле внутри объема в любой точке М определяется по формуле

Р(ММо) (.)[бш + ^]. (6)

В рамках изучения воздействия ультразвука на организм человека был проведен ряд исследований. В результате было показано, что даже непродолжительное воздействие ультразвука влияет на весь организм в целом, а не только на конкретный орган подвергшийся обследованию.

В шахтах шахтеры постоянно находятся под воздействием звуковых и ультразвуковых полей. Это наносит вред не только слуху, но и как показали эксперименты, всему организму в целом.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Коваль В. Т., Короченцев В.И., Губко Л.В. Морская терапия, мо-нография//Петропавловск-Камчатский, 2012г., 246 стр.

2. Короченцев В.И., Розенбаум А.Н. Анализ и синтез связи, управления движением подводных объектов по аномалиям физических полей/Владивосток, Институт автоматики и процессов управления, Даль-наука, 2007г., 185 стр.

3. Шевкун С.А. Разработка методов анализа волновых полей в замкнутых системах: дис. канд. физ. — мат. Наук. Владивосток, 2006., 186 с.

4. Короченцев В.И. Волновые задачи теории направленных и фокусирующих антенн//Владивосток, Дальнаука, 1998., 192 стр.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Сошина Наталья Сергеевна — аспирант, магистр, [email protected], Гарасев Иван Витальевич — аспирант, магистр, [email protected], Ким Александра Валерьевна — аспирант, магистр, [email protected], Инженерная школа, Дальневосточный федеральный университет.

UDC 622.23.05

A MATHEMATICAL MODEL OF THE IMPACT OF PHYSICAL FIELDS OF MINES ON THE HUMAN BODY

Soshina Natalia Sergeevna, FEFU, School of Engineering, Department of Instrumentation, graduate student, master of engineering and technology, [email protected], Russia,

Garasev Ivan Vitalievich, FEFU, School of Engineering, Department of Instrumentation, graduate student, master of engineering and technology, Far Eastern Federal University, [email protected], Russia,

Kim Alexandra Valerevna, FEFU, School of Engineering, Department of Instrumentation, graduate student, master of engineering and technology, [email protected], Russia.

The occupational diseases arising from vibration and noise of elastic waves in miners. A mathematical model describing the behavior of cylindrical waves in tunnels. To calculate the surface boundary conditions, and the calculation of the field within the volume is used anywhere in the Green's function. Experimentally proved negative effect of ultrasonic waves on the central nervous system, brain, bone and joint unit, the cardiovascular system, respiratory system, digestive system, cochlear nerve. These data allow us to formulate the concept of noise and vibration disease as an independent form of occupational diseases.

Key words: mine, vibration, noise, cylindrical waves, occupational disease, experiment, ultrasonic range.

REFERENCES

1. Koval' V.T., Korochencev V.I., Gubko L.V. Morskaja terapija (Marine therapy). mono-grafija, Petropavlovsk-Kamchatski), 2012, 246 p.

2. Korochencev V.I., Rozenbaum A.N. Analiz i sintez svjazi, upravlenija dvizheniem pod-vodnyh ob#ektov po anomalijam fizicheskih polej (Analysis and synthesis of communication, motion control of underwater objects by anomalies of physical fields), Vladivostok, Institut av-tomatiki i processov upravlenija, Dal'nauka, 2007, 185 p.

3. Shevkun S.A. Razrabotka metodov analiza volnovyh polej v zamknutyh sistemah (Development of methods of analysis of wave fields in closed systems), dis. kand. fiz.-mat. Nauk. Vladivostok, 2006, 186 p.

4. Korochencev V.I. Volnovye zadachi teorii napravlennyh i fokusirujushhih antenn (Wave problems in the theory of directed and focusing antennas), Vladivostok, Dal'nauka, 1998, 192 p.

УДК 519.517

© А.В. Надымов, 2014

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ СИСТЕМ РАДИОСВЯЗИ, ИСПОЛЬЗУЮЩИХ OFDM МОДУЛЯЦИЮ

Рассматривается вопрос о возможности дистанционного анализа помехоустойчивости систем радиосвязи, использующих процедуру ортогонального частотного разделения. Исследования проводится исключительно на базе теоретических данных без использования практических измерений и программных симуляторов. Результатом проведенных исследований должна служить полностью унифицированная формула зависимости BER=f(SNR), пригодная для использования в любом из известных стандартов, использующих OFDM.

Ключевые слова: вероятность появления битовой ошибки, отношение сигнал/шум, OFDM-системы, интерференция.

Основным критерием оценки помехоустойчивости всех современных цифровых систем связи является величина вероятности появления битовой ошибки (BER). В зависимости от вида передаваемой информации максимальное предельно допустимое значение величины BER может варьироваться от 10-3 до 10-10. В радиоэфирных системах связи основной причиной ухудшения величины BER можно назвать процессы время-селективных и частотно-селективных замираний. В системах, использующих модуляцию OFDM, качество связи, характеризуемое величиной BER, кроме всего прочего, снижается в результате наложения соседних поднесущих друг на друга, то есть из-за потери ортогональности между ними. Поэтому далее будет получена зависимость BER=f(SNR), в которой будут учтены все моменты, ухудшающие качество связи, в OFDM-системах.

Эффект временных и частотных искажений

На рис. 1 изображен вектор принимаемого сигнала, в канале АБГШ и Райса, то есть наблюдается эффект приема при прямой видимости и при переотраженном сигнале без прямого луча соответственно. Пусть Zr и Zd будут, соответственно, эталонный и де-модулированный символы, тогда выходной сигнал у0,считается по формуле (1):

Рис. 1. Вектор принимаемого сигнала на пространственной диаграмме

ио = Re(zrz'd) = -4(г,2 -г22) ,

(1)

Г = zr

где

Если предположить, что двоичная последовательность данных состоит из всех +1, то битовая ошибка наблюдается при отрицательном v0, а значит BER в случае с BPSK может быть выражена формулой (2).

P = Pmb(Uo < 0) = Prob(r < r2), (2)

Для того, чтобы провести калькуляцию по формуле (2), необходимы средние значения дисперсий г1 и r2. Пусть A — огибающая прямой волны через LOS путь. Предполагая, смещение частоты гетеродина в очень малых пределах, средние значения г1 и г2 будут рассчитываться по формуле (3), причем zr и zd имеют одинаковую полярность.

E [r ] = E [| zr + z, |] = 2 A

E[r2] = E[|Zr - z,|] = 0 ,

Пусть g s и g n — это дисперсий волны Рэлея через рассеянный путь, и канал АБГШ, соответственно, тогда дисперсии г1 и г2 равны:

E[(r -E[r])2] = 2(с2 +а2) + 2ра2

E[(r2 -E[r2])2] = 2(а2 +а2) + 2ра,2'

(3)

(4)

где р - это ковариация между zr и zd, то есть фединговая корреляция. zr и zd во временном сегменте (DMT) имеют промежуток времени Ts на каждую поднесущую, значит р означает временную корреляцию. С другой стороны, zr и zd в частотной области (DMF) имеют частотный интервал 1/Td в одно и то же время, значит р означает частотную корреляцию.

Временные корреляционные функции p(At) рассчитываются при помощи функций Бесселя:

р(А) = Jo(2n- fD At), (5)

где fD является максимальной частотой Доплера, J0( ) представляет собой функцию Бесселя первого рода нулевого порядка.

С другой стороны, частотная корреляционная функция p(Af может быть получена в результате преобразование Фурье мощности профиля многолучевого канала S(t) следующим образом:

1 --1

S(т) = — e —, for т > 0 , (6)

—т

Характеристика S (т) по другому называется экспоненциальный профиль. Из формул (5) и (6), функцию p(Af) и ее огибающую характеристику |p(Af )| можно легко рассчитать, как:

P(Af) = -—-1—— , (7)

1 + ;2п-тА^

|р( Af)| = 1 (8)

' ' Vl + (2п—тА/- )2

Судя по рисунку 2 очевиден вывод, что ковариация р из выражения (4) может быть получена путем замены At = Ts и Af = 1/Td в формулах (5) и (8), соответственно:

Jо(2п/зТ), for DTM 1 1

Р =

for DMF (9)

где a=Tg/Td - это GI-фактор (фактор защитного интервала, от аббревиатуры GI - Guard Interval), в котором Tg — это длительность защитного интервала символа OFDM (Ts = Tg + Td).

Рис. 2. Диференциальная модуляция (ОБР8К) во временой и частотной областях

Определив дисперсии к и г2, как о21 и а22, соответственно, и преобразовав выражение (4), получим следующее:

а? = 2а2 (1 + р) + 2а2

с2 = 2а2 (1 -р) + 2а2

(10)

Из выражений (3) и (10), функции плотности вероятности величин г1 и г2 могут быть выражены как:

р(г) = -^ехр

-4 А

2Л

Р( Г2) =ЛеХР

2а2

-2 Л

2 Ак

V а1 У

(11)

2а

2 У

Полученные выражения (11) называются распределением Райса и распределением Рэлея, соответственно. Наконец, ББЯ из формулы (2) может быть получен после интеграции и перегруппировки распределений Райса и Рэлея следующим образом:

Р = Р

ГЪ ~ гоЪ

(Г < к2) = |р(?1) <| |р(г2)<яГ21 йтх

0

(1 -р)-^-+1

K +1 л exp г Р

K+1

( г Л

K—— K +1

Г 1

K+1

(12)

/

где Г-отношение энергии на бит к спектральной плотности шума (Eb/N0) в полученном сигнале, и K - это К-фактор канала Райса (К= A2/(2os2)).

Из выражения (12) видно, что фединговая корреляция р, о которой говорилось ранее, приводит к деградации BER демоду-лированных символов.

Эффект интерференции между поднесущими (Inter Carrier Interference — ICI)

Когда несущая проходит через канал с затуханием, полученный сигнал r(t), измененный вследствие частоты Доплера fD*cos0, где 0 является случайной фазой из равномерного распределения [0, 2п), может быть выражен в виде:

r (t ) = cos{2n( fc + fD cos 9)t}« cos(2nfct ) -

-(2nfDtcos©)sin(2nfct) , (13)

второе слагаемое выражения (13) и характеризует эффект интерференции между поднесущими OFDM, то есть потери от нарушения ортогональности между поднесущих, что происходит, как для области временной, так и для частотной. Зная, что комплексные коэффициенты Фурье (Рисунок 3) описываются выражением (14), получим выражение, описывающее мощность помех k-ой поднесущей, формула (15)

1 1 - k 2 x

С = -i f (x)e~J T*dx , (14)

T ■ ± 0

+ - T__T - +

-к -1 g J^ k_ tfeq.

T T T T

Subtanier fcquency Рис. 3. Комплексные коэффициенты Фурье

2

I 12 1 T -JkT-1 ( fDTd cos©)2

\Ск I = —f 2n- tfD cos ©e Td dt =KJ D d 2-, fork Ф 0, (15)

1

Таким образом, из выражения (15), используя симметричность комплексных коэффициентов Фурье, получаем, что Суммарная мощность интерференционной составляющей при наложении соседних несущих (ICI) может рассчитываться как:

где предполагается, что число поднесущих в OFDM-системе очень велико.

И, наконец, средняя мощность Ia составляющей ICI, которая вызвана доплеровским сдвигом частоты, может быть получена путем усреднения выражения (16), при равномерно распределенном значения 0:

Эффект интерференции между символами (Inter Symbol Interference — ISI)

) , for DTM and DMF , 6(1 + a)2

(17)

QA

Рис. 4. Межсимвольная интерференция

Рис. 4 иллюстрирует концепцию межсимвольной интерференции, где у — это фазовый угол поворота демодулированого символа zd, вызванный федингом. Это вращение приводит к снижению энергии символа, а также его искажению в квадратурной компоненте канала.

Средняя мощность помех в квадратурной компоненте канала может быть рассчитана с учетом комплексных коэффициентов Фурье из выражения (15). Зная значения угла y(t) и y(f) - Рисунок 4, получим следующие выражения:

cos(2nfDtcos ©) « 1, for DMT 1 ¡1, for DMF

cos^ =

sin^ =

Vi + (2< )2

sin(2n fDt cos ©) « 2nfDt cos ©, for DMT 2n<jJ

(18)

Vi + (2njf )2

•■2rnrT f, for DMF

Далее, мощность помех IdFD, которые были вызваны допле-

ровским смещением частоты, и их среднюю мощность I считаем по формуле (19):

FD

f

JfD = 1d ~

J 2nfDt cos ©dt

Y

v s о

2n

= (nfDTs cos ©)2

fD d

2

— ifS cos ©)d © =

f )2

рас-

(19)

, for DMT

В то же время, мощность помех, связанных с задержкой рас-

IGT

d вычисляется как:

J < =

d

i f

Y J 2n<T f cos ©df

V Tf

= n

Td

= jn(1 + a) , for DMF

(20)

В результате средняя мощность помех квадратурной компоненты канала, на которую влияет и задержка принятых отраженных лучей и доплеровское смещение частоты, связанное с движением приемника относительно передатчика, вычисляется по формуле (21).

h =

0, for DMT and DMFin DBPSK

(fT )2 2

for DMT in DQPSK

(21)

n(1 + a),forDMFin DQPSK

Получение результирующего отношения сигнал/шум в канале Райса

Вследствие интерференции между поднесущими OFDM и между символами данных, которые были рассмотрены выше, выражение для расчета результирующей величины битовой ошибки с учетом рассмотренных явлений может быть получено путем введения гауссовской аппроксимации. Конкретно говоря, необходимо найти отношение несущей к шуму прибавленному к обобщенной помеховой составляющей (SNIR - signal to noise and interference ratio), которое предполагает совокупление мощности интерферирующих сигналов с гауссовским шумом. То есть, две основные помехи, рассмотренные выше, должны быть включены в результирующее отношение SNIR.

Отношение Г/(К + 1) в (12) указывает на отношение Eb/N0 принимаемых волн Рэлея, которое можно переписать в виде: >N1, for DBPSK

, (22)

for DQPSK

Г K +1

Yn 1 2

где ук1 означает полученных волн Рэлея. В соответствии с

мощностями помех 1а и величину можно переписать в виде:

Ты 1 =-1- , (23)

Yn'

J_

-L + L

где ук - отношение при приеме волн Рэлея. Кроме того, отношение ук может быть рассчитано исходя из общего отношения ЕЬ/Ш следующим образом:

Yn =

Гс

1 + а

Гп

K +1 (K +1)(1 + а)

for DBPSK

Г

(24)

1 + а

2 Г

а)'

for DQPSK

K +1 (K +1)(1-

где отношение 1/(1+а) означает потери энергии, вызванные защитным интервалом GI в OFDM сигнале. Из (24) и (23), (22) получается следующее:

1

Г

K+1

(K +1)(1 + а)

Г™ + I а + L

for DBPSK

1

(25)

(K +1)(1 + а)

ГEN + 2(Ia + Id )

for DQPSK

Наконец, подставив все известные величины в выражение (12), получим аппроксимированные зависимости БЕЯ от в системе QPSK/OFDM. Вывод результирующих формул - (26) и (27) показал как можно просто и довольно точно получить расчет вероятности битовой ошибки от отношения сигнал/шум принимаемого сигнала с учетом сдвига доплеровской частоты, длительности информационного и защитного интервалов.

ВЕШИТ (5Ж) =

1 + (1 - rM)

1

2( IdDMT + Ia )-

(K +1)(1 + a)

SNR

1

2(IdDMT+Ia )+■

(K+1)(1+a) SNR

1

2(IdDMT+Ia )+(K+1)(1+a) +1

1

2(IdDMT + Ia)

(K +1)(1 + a) SNR

(26)

ВЕКЛЫЕ (БЫК) =

1 + (1 - г02)

1

2( 1рМБ + 1а )■

(К +1)(1 + а) БЫК

_1_

2(1 ¿ЕЫШ+1а )+■

(К+1 )(1+а) БЫК

1

2(1лиЫ¥+1а )+(К+1)(1+а) +1 Л а БЫК

1

2( + 1а )

(К +1)(1 + а) БЫК

(27)

Кроме того, чтобы оценивать качество принятого сигнала на выходе модулятора необходимо получить результирующую зависимость ВЕЯ=А(8КЯ), которая в себе будет содержать обе зависимости из формул (26) и (27).

Т.к. по определению вероятность появления битовой ошибки ВЕЯ — это отношение ошибочно принятых бит к общему числу принятых бит, то при нахождении результирующей зависимости ВЕЯ^^КЯ) ошибки, вносимые время-селективными и частотно-селективными замираниями будут складываться.

ВЕКгвг(БЫК) = ВЕКЛЫЕ(БЫК) + ВЕКЛЫТ(БЫК), (28)

ВЕЯ

Ь^ВЕЕигЗ^ЫЕ)) "2 Ь^ВЕИгег^ЗЫЕ))

-2 5

1 1 1 1

V 723, Гет

-----480, Гд

---- 289. Гп

1 —. В. Гц

1 1 1

8X11. дБ

Рис. 5. Сравнение зависимости БЕК=/@МЯ) для разных частот доплеровско-го сдвига

В качестве примера практического применения формул (26), (27) и (28) можно осуществить анализ зависимости помехоустойчивости системы QPSK/OFDM от частоты доплеровского сдвига.

Частота доплеровского сдвига для графической оценки помехоустойчивости берется следующей: frn = 0Гц (скорость приемника 0 км/ч) fd3 = 289Гц (скорость приемника 60 км/ч) fd3 = 480Гц (скорость приемника 100 км/ч) fd4 = 723Гц (скорость приемника 150 км/ч) Полученные зависимости отражены на рис. 5. Тенденция в изменении характеристики BER=f(SNR) при изменении частоты доплеровского смещения естественно была предсказуема, однако, влияние эффекта перемещения приемника относительно передатчика, не смотря на то, что анализ происходит довольно помехоустойчивой системы на базе OFDM, оказалось весьма существенным. Даже при том условии, что при анализе использовался самый помехоустойчивый метод манипуляции для современных систем радиосвязи QPSK, получился результат, что на каждую тысячу принятых бит в покоящейся системе приходится примерно 2-3 ошибочных, а в случае с движением приемника на скорости 100км/ч этот показатель возрастает примерно до 6-7 ошибок на 1000бит. Таким образом, качество приема падает сразу в 2-2,5 раза.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Шахнович И. В. Современные технологии беспроводной связи. - М.: Техносфера, 2006. - 287 с.

2. A. Batra, J. Balakrishnan, G. R. Aiello. Design of a multiband OFDM system for realistic UWB chanell environments. // IEEE Trans. Microw. Theory Tech. - 2004. — vol. 52, no. 9, 2123-2138 p.

3. A. Batra, J. Balakrishnan,, G. Roberto Aiello, Jeffrey R. Foerster, Anand Dabak. Design of a Multiband OFDM System for Realistic UWB Channel Environments // IEEE transactions on microwave theory and techniques. — 2004. — vol. 52, no. 9.

4. Bikramaditya Das, Susmita Das. Efficacy of Multiband OFDM Approach in High Data Rate Ultra WideBand WPAN Physical Layer Standard using Realistic Channel Models // International Journal of Computer Applications — May 2010, Vol.2, No.2, 81-87p.

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ

Надымов Алексей Владимирович - старший преподаватель Инженерной школы, Дальневосточный федеральный университет, nadymovrts@yandex. ги.

UDC 519.517

THE STUDY OF IMMUNITY OF RADIO COMMUNICATIONS SYSTEMS USING OFDM MODULATION

Nadymov Alexey V., School of Engineering (Far Eastern Federal University, Russia.

We consider the possibility of remote analysis of the noise immunity of radio communication systems using the procedure of orthogonal frequency multiplexing. The research is conducted on the basis of theoretical data without using practical measurements and software simulators. The result of study should a fully unified formula of dependence BER=f(SNR), suitable for use in any of the known standards, using OFDM.

Key words: bit error rate, signal to noise ratio, OFDM-systems, interference.

REFERENCES

1. Shahnovich I. V. Sovremennye tehnologii besprovodnoj svjazi (Modern wireless technology), Moscow, Tehnosfera, 2006, 287 p.

2. A. Batra, J. Balakrishnan, G. R. Aiello. Design of a multiband OFDM system for realistic UWB chanell environments, IEEE Trans, Microw, Theory Tech. 2004, Vol. 52, No. 9, 21232138 p.

3. A. Batra, J. Balakrishnan,, G. Roberto Aiello, Jeffrey R. Foerster, Anand Dabak. Design of a Multiband OFDM System for Realistic UWB Channel Environments, IEEE transactions on microwave theory and techniques, 2004, Vol. 52, No. 9.

4. Bikramaditya Das, Susmita Das. Efficacy of Multiband OFDM Approach in High Data Rate Ultra WideBand WPAN Physical Layer Standard using Realistic Channel Models, International Journal of Computer Applications, May 2010, Vol. 2, No.2, 81-87 p.

УДК 621.372 © И.М. Орощук, А.Н. Сучков, А.М. Василенко, 2014

МОНИТОРИНГ СОСТОЯНИЯ МОРСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ КОРРЕЛЯЦИОННЫМ ПРОСТРАНСТВЕННЫМ ФИЛЬТРОМ ДЕКАМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА

Представлены возможности применения корреляционного пространственного фильтра декаметрового диапазона в загоризонтной радиолокации для дистанционного мониторинга состояния поверхности морей и океанов, проводимого в интересах метеорологии и океанографии. Показаны преимущества корреляционного пространственного фильтра перед действующими ЗГ РЛС в обеспечения требуемой помехоустойчивости и высоких направленных при меньших экономических затратах на их реализацию. Ключевые слова: загоризонтная радиолокационная станция, Доплеровский сдвиг частот, корреляционный пространственный фильтр, помехоустойчивость, направленные свойства, функция взаимной корреляции.

В последние годы наряду с задачами военного назначения загоризонтные радиолокационные станции (ЗГ РЛС) активно используются для дистанционного мониторинга за состоянием поверхности морей и океанов, проводимого в интересах метеорологии и океанографии [1-3].

Основными целями мониторинга являются:

• обеспечение безопасности прибрежных районов в области предупреждения о тайфунах, штормах, цунами;

• обеспечение оперативной гидрометеоинформацией в интересах безопасности плавания, проведения различных работ в акваториях и на шельфе (включая районы морского бурения нефти и газодобычи);

• оценки ледовой обстановки в приполярных акваториях и безопасности плавания при наличии айсбергов;

• экологического контроля степени загрязненности морских акваторий, растекания нефтепродуктов в результате аварий танкеров.

Актуальность применения ЗГ РЛС в интересах метеорологии и океанографии подтверждается их широким использованием в ряде развитых государств: США, Канада, Великобритания, Франция и Австралия [1]. В Российской Федерации это направление пока активно не используется, прежде всего из-за высокой стоимости таких систем. В данной работе предлагается способ, позволяющий

снизить затраты на создание подобных систем обнаружения при требуемых параметрах эффективности.

Принцип функционирования ЗГ РЛС при решении данных задач основан на следующих закономерностях. Зондирующие сигналы, излучаемые ЗГ РЛС после отражения от ионосферы падают наклонно на поверхность океана. Процесс обратного рассеяния радиоволн от поверхности океана является необычно сложным. В работе

[4] показано, что у эхо-сигналов обратного рассеяния от взволнованной поверхности океана имеются характеристики доплеров-ского спектра сигналов отраженных от морской поверхности, которые определяются брэгтовским рассеянием.

На рис. 1 приведены результаты исследований спектров отраженных от морской поверхности сигналов, на которых виден четкий спектральный максимум второго порядка, расположенный

на ожидаемой частоте (в раза превышающей брэгговскую частоту, которая при рабочей частоте 21840 кГц равна 0,475 Гц).

Боковые полосы спектральных составляющих рассеяния второго порядка в доплеровском спектре отображают ненаправленный частотный спектр высот морских волн.

К основным параметрам, измерение которых возможно с помощью ЗГ РЛС, относятся:

• угол между направлением генерального распространения морских волн (ветра) и направлением визирования;

• скорость поверхностных течений;

• среднеквадратичная высота волн;

• скалярный спектр морского волнения;

• период доминирующих волн, в том числе и параметры зыби;

• скорость ветра у поверхности воды.

Задача измерения толщины льда изменяется в очень широких пределах и зависит от структуры льда, его возраста и температуры.

Нормированное допперовское смещение 0,5 0,7 1.0 1,5

Г\ Спешральный пик

рассеяния второго

1 порядка щ Л

\ /У Бреговский | 1 " 1 ( Г спектральный^/ \

\ / максим™ \

ОД 0.2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Абсолютная частота, Гц

Рис. 1. Нормированный доплеровский спектр отраженного от морской поверхности сигнала

В настоящее время существует принципиальная возможность измерения толщины льда до глубин в 2 км с помощью декаметровых ЗГ РЛС, что недоступно для средств других диапазонов [1].

За счет резких перемещений атмосферных фронтов возникает большинство атмосферных электрических явлений и, в первую очередь, такое явление, как гроза. Загоризонтную радиолокацию можно использовать для контроля за атмосферными электрическими явлениями; определения в реальном масштабе времени положений атмосферных фронтов, центров возникновения грозы и направления ее перемещения, а также для изучения прогнозирования атмосферных явлений и предупреждения грозовой опасности.

Таким образом, современные ЗГ РЛС становятся универсальными средствами слежения за морской поверхность океана, прогноза метеоусловий. Однако их конструкция является довольно сложной, дорогостоящей и имеет ряд недостатков.

Применяемые в действующих ЗГ РЛС технологии обработки сигналов в декаметровом диапазоне ограничены физическими свойствами ионосферных радиоволн. Допустимая ширина спектра сигналов не позволяет использовать современные широкополосные радиосигналы для повышения помехоустойчивости. Наличие селективных замираний требует существенного энергетического превосходства уровня радиосигнала над естественными радиопомехами, что не позволяет устойчиво принимать низкоуровневые сигналы.

Кроме того, возникают определенные трудности в применении антенно-фидерных систем в ЗГ РЛС. Приемная антенна ЗГ РЛС - это эквидистантная линейная антенная решетка (АР), состоящая из слабонаправленных антенн. Перекрытие декаметрового диапазона обеспечивается несколькими линейными АР. Для создания удовлетворительных направленных свойств шаг АР должен быть меньше половины длины волны сигнала. Ширина диаграммы направленности зависит от количества элементов АР, в связи с чем в ЗГ РЛС используется линейная эквидистантная АР, состоящая из нескольких сотен элементов, протяженностью 1200 - 4000 м [1]. В результате при относительно небольшой эффективности самих ан-тенно-фидерных систем на их реализацию и эксплуатацию требуются огромные капитальные и эксплуатационные затраты.

Данные проблемы могут быть решены путем применения нового способа загоризонтной радиолокации на основе пространственно-корреляционной обработки сигналов [5], принцип функционирования которого представлен на рис. 2. Данный способ обработки выполняет функцию корреляционного пространственного фильтра (КПрФ).

КПрФ состоит из дискретной нерегулярной цифровой приемной антенной решетки с 1-элементами и приемными трактами, включающими усилитель (УС), аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и вычислительное устройство (ВУ), выполняющие функции фильтрации в блоке фильтрации (БФ), временной задержки сигналов в блоке временной задержки (БВЗ), корреляционного вычислителя (Ящ), сумматора (Е) и устройство принятия решения (УПР).

Зондирующие сигналы, излучаемые ЗГ РЛС после отражения от ионосферы падают наклонно на поверхность океана, отразившись от которого обратно через ионосферу поступает на пространственно-разнесенные элементы приемной АР. После чего усиливаются в усилителях и с помощью АЦП преобразуются в цифровую форму, затем они поступают в вычислительное устройство.

Рис. 2. Принцип функционирования корреляционного пространственно фильтра

В вычислительном устройстве выполняется цифровая фильтрация в полосовых фильтрах, после чего сигналы поступают в БВЗ.

В блоке временных задержек производиться сдвиги массивов оцифрованных входных радиосигналов. Ввод временных задержек на каждом этапе сканирования виртуально позиционирует элементы АР на одну линию ортогонально направлению прихода сигнала (рис. 3). Сдвиги массивов производят на величину компенсационной временной задержки тк (тк=Б8т(9/с), где с - скорость света, 9 - угол между линией позиционирования элементов АР и направлением на элемент относительно фазового центра). Таким образом осуществляется формирование характеристики направленности и сканирование пространства.

В корреляционном вычислителе (Я^) производится оценка функций взаимной корреляции (ФВК) радиосигналов с выходов всех пар элементов АР с последующим их суммированием в сумматоре (Е):

I -1 I

ик = 3Р*.у (Т -Тк ) + СпСп.3Рп.у (т -Тк )], (1)

¿=1 }Ф1

где сги, сг^, сгп1, сс - среднеквадратическое отклонение напряжений сигналов и помех на выходах элементов антенной решетки; Р У(т-тк), рп р(т-тк) - коэффициенты взаимной корреляции

(КВК) напряжений сигналов и помех на выходах разных элементов АР; тк,т - компенсационные и естественные временные задержки сигналов, обусловленные разностью времени распространения сигнала до элементов АР; I - количество элементов АР.

Выходное напряжение сумматора поступает на вход УПР. Решение о наличии или отсутствии полезного сигнала принимается по результатам сравнения входного сигнала с пороговым уровнем в УПР, величина которого зависит от заданных значений вероятностных характеристик обнаружения радиосигнала [6, 7].

На основе полученного отклика КПрФ может производится дальнейшая обработка сигналов в интересах метеорологии и океанографии. В частности, оценка Доплеровского сдвига частот у отраженного сигнала может осуществляется путем преобразования Винера-Хинчина после оценки ФВК [8], на основании чего определяются различные параметры морской поверхности.

Сигнал от источника излучений:

одного направления другого н алр деления

О ■ антенный элемент

- пр о екцня элем ента Рис. 3. К вопросу виртуального позиционирования базы антенн

Особенностью такой системы является требование высокой идентичности всех приемных каналов и точности фазирования при ведении временных задержек, для чего тракты усиления таких систем построены на базе прямого усиления с целью исключения дополнительных фазовых искажений. Для снижения влияния аппаратной погрешности вызванной вышеперечисленными факторами оценка ФВК для всех пар элементов АР осуществляется по ее огибающей [9].

Из выражения (1) видно, что свертка напряжения, поступающего на вход УПР в значительной степени зависит от пространственно-корреляционных свойств радиосигналов р^ и радиопомех рп.щ.

Для оценки влияния корреляционных свойств сигналов и помех на эффективность КПрФ необходим анализ их реальных зависимостей. Однако данных экспериментальных исследований о корреляционной связи радиосигналов р^ в современной литературе крайне мало, а в имеющихся источниках присутствуют противоречия, что связано с различными условиями проведения экспериментов. В связи, с чем с помощью разработанной экспериментальной установки [10] были проведены дополнительные исследования [11].

О 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 D,M

Рис. 4. Пространственная зависимость КВК радиосигнала с центральной частотой 7,14 МГц и полосой А/ = 6 кГц

На рис. 4 представлены результаты экспериментальных исследований отражающих пространственную нормированную ФВК радиосигнала с центральной частотой 7,14 МГц в зависимости от разнесения антенн при полосе фильтрации Af = 6 кГц. На данном рисунке точками, соединенными тонкой линией, изображены зависимости математического ожидания максимумов КВК радиосигналов при различных расстояниях между приемными антеннами экспериментальной установки, жирными пунктирными линиями - границы доверительного интервала этой зависимости с вероятностью 90 %. Представленные оценки КВК получены по результатам обработки не менее 30 реализаций записанных сигналов при каждом пространственном разносе антенн.

Анализ экспериментальных данных, проиллюстрированных на рис. 4, показал, что при увеличении расстояния между приемными антеннами до 1000 м КВК радиосигналов уменьшается незначительно, до 0,85. Дальнейший анализ пространственно -корреляционных свойств сигналов показал, что с изменением частоты сигнала в пределах декаметрового диапазона значения КВК при увеличении расстояния между приемными антеннами до 1000 м варьируются незначительно (в интервале 0,85 0,81).

Результаты экспериментальных исследований корреляционной связи радиопомех были достаточно подробно раскрыты в работе [11], которые показали, что корреляционная связь радиопомех pniJ имеет высокие значения только в пределах интервала корреляции, который составляет не более 2—3 м, а затем при увеличении разноса элементов эти значения резко снижаются и колеблются в пределах не более ± (0,2 ^ 0,3) (рис. 5).

1

у / Н и

■г i . 14 г и / \ \ * 1 1 1 1 ч г /

1 ч / \ / \ \\ И / ¿Г

1 * 1 \ \ Ч / \ * 1 ^

1 и \ t

1 у 1 ч _ / / V 1 ч

\ / \ \ / \ ч 1 1 / ь 1

ч Г

* 1

0 4 1 1 í 4 1 1 12 Г 1 4 1 116 1 7 1'& 21

Рис. 5. Пространственная зависимость КВК радиопомех в области частот 3,3 МГц, при полосе фильтрации А/ = 10 кГц

Таким образом, экспериментально установлено, что при разносе каждой пары элементов АР на расстояния до 1000 м при минимальном расстоянии большем пространственного интервала корреляции помех й0 для каждого направления прихода сигнала, корреляционная связь радиосигналов р^ будет оставаться высокой, а корреляционная связь радиопомех рп.щ будет колебаться в небольших пределах при более малых значениях (рис. 6).

В результате при формировании результирующей свертки напряжения в КПрФ (см. выражение (1)) высокие значения КВК радиосигналов р^ будут суммироваться, а значения КВК радиопомех ръ.щ взаимно компенсироваться за счет осциллирующего характера значений КВК (см. рис. 5). Этим достигается высокая помехоустойчивость рассматриваемого метода.

р8=1 - 0,81 Рп=- 0,3^ 0,3

Я=2.

1000 м

Рис. 6. К вопросу формирования результирующей свёртки напряжения с каждой пары элементов антенной решетки

Численный анализ помехоустойчивости пространственно-корреляционного тракта обработки радиосигналов производился на основе математической модели КПрФ, полученной в работе [7] на основе критерия Немана-Пирсона - по минимуму вероятности пропуска цели Рпр при заданной вероятности ложной тревоги Рлт:

( -»--1 Г1 Л 1 Б . V ^ ^ П7 2 V Л

Р =ф

пр ^

ф-1 [1 - Рлт ] ь24КЧ2

_У К ]_'< 3

Ц(д2 +1)2 + 2^ (Р32 +Рп.з )2

(2)

где Ф-1(х) - обратная функция интегралу вероятности; д - отношение эффективного значения напряжения радиосигнала к ра-

диопомехе (д = — ); Ц - количество корреляторов, Ц = 12 -1; К а

п

- объем выборки в КПрФ.

На рис. 7 приведена зависимость вероятности пропуска цели Рпр от величины взаимной корреляции радиопомех р2у для одного из вариантов КПрФ.

С учетом незначительных изменений значений КВК радиосигналов из рис. 7 можно сделать вывод, что вероятность пропуска цели Рпр в большей степени будет зависеть от пространственно-корреляционных свойств радиопомех р2лр Исходя из чего для обеспечения большей эффективности КПрФ целесообразно располагать элементы АР на расстояниях, превышающих пространственный интервал

Рис. 7. Зависимость вероятности пропуска цели КПрФ от коэффициента корреляции радиопомех при рх =0,81

корреляции радиопомех с10, где КВК радиопомех наименьшая. В этом случае можно достигнуть высокой помехоустойчивости: вероятность пропуска цели КПрФ будет составлять />пр=10"4^10"5. Данное особенность обеспечивает превосходство КПрФ перед классическими методами обработки используемыми в действующих ЗГ РЛС.

Направленные свойства КПрФ определяются пространственно-корреляционными характеристиками радиосигналов. По сути, диаграмма направленности КПрФ представляет собой среднее значение суммы ФВК со всех пар элементов АР (см. выражение (1)) [5]. При размещении элементов АР на расстояниях, при которых сохраняются большие значения КВК радиосигналов (до 1000 м) за счет увеличения числа этих элементов можно достигнуть высокой направленности. На рис. 8 представлена характеристика направленности КПрФ содержащего в АР 12 приемных антенн.

Рис. 8. Характеристика направленности КПрФ

Из рис. 8 видно, что ширина главного лепестка диаграммы направленности составляет не более 1,5 , а уровень боковых лепестков весьма мал. Для достижения подобных показателей в действующих ЗГ РЛС применяются довольно громоздкие АР, состоящие из нескольких сотен элементов, что определяет дополнительный приоритет применения КПрФ в системах обнаружения.

Выводы

Представленные результаты позволяют сделать вывод о возможности практического использования корреляционного пространственного фильтра в ЗГ РЛС декаметрового диапазона для дистанционного мониторинга состояния поверхности морей и океанов, проводимого в интересах метеорологии и океанографии.

Применение КПрФ имеет ряд преимуществ перед действующими методами, которые основаны на возможности обеспечения требуемой помехоустойчивости и высоких направленных свойств при гораздо меньшем числе элементов в антенной решетке, а следовательно, и меньшем числе антенно-фидерных устройств, трактов усиления и обработки сигналов. Все это в целом позволит существенно снизить общие габариты антенной решетки, количество элементов оборудования, и как следствие повысить надежность системы и снизитт капитальные и эксплуатационные затраты на оборудование.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Быковский Л.М., Егоров В.И., Оленева Т. С. Системы и средства за-горизонтной радиолокации // Реферативный журнал по материалам отечественной и зарубежной печати за 1955 — 1991 гг. - 1991. - Вып. 19. - 87 с.

2. Мищенко Ю.А. Загоризонтная радиолокация. - М.: Воениздат,

1972.

3. Алебастров В.А. Основы загоризонтной радиолокации. - М.: Радио и связь, 1984.

4. Barrick D.E. The statistics of HF sea-echo Doppler spectrum // IEEE Thans. On Antennas Propagat. - 1977. - AP-24. - P.19-28.

5. Долгих В.Н., Орощук И.М., Бородин А.Е. и др. Поисковые исследования принципов построения дискретных антенных систем со случайно расположенными элементами для перспективных радиотехнических средств коротковолнового диапазона: отчет о НИР «Шаланда» (заключ.). -Владивосток: ИАПУ ДВО РАН; ТОВМИ, 2007. - 114 с.

6. Долгих В.Н., Орощук И.М., Прищепа М.В. Вероятностные характеристики обнаружения сигналов корреляционным пространственным фильтром [Текст] // Акустический журнал. - М. - 2007. - № 2. - С. 226-232.

7. Орощук И.М., Долгих В.Н., Сучков А.Н. Вероятностные характеристики пространственно-корреляционного метода обнаружения сигналов в декаметровом диапазоне [Текст] // Журнал радиоэлектроники: электронный журнал. - 2013. - № 12. - Режим доступа: Шр^ге. cplire.rU/jre/dec13/5/text.html.

8. Ричард Лайонс. Цифровая обработка сигналов: учебник / пер. с англ. - М.: ООО «Бином-Пресс», 2006. - 656 с.

9. Орощук И.М., Сучков А.Н., Василенко А.М. Метод снижения погрешности выделения огибающей сигналов в цифровых пространственно-корреляционных трактах обработки [Текст] // Цифровая обработка сигналов. - 2014. - № 2. - С. 41-45.

10. Орощук И.М., Долгих В.Н., Сучков А.Н. Измерительное устройство для оценки пространственно- и частотно-корреляционных свойств сигналов и помех декаметрового диапазона [Текст] // Известия Волгоградского государственного технического университета. □ 2013. Вып. 8. № 23 (126). - С. 95-99.

11. Долгих В. Н. Пространственно-корреляционные свойства сигналов и помех декаметрового диапазона [Текст] / В.Н. Долгих, И.М. Орощук, А.Н. Сучков; под ред. В.С. Колмогорова. - Владивосток: Филиал ВУНЦ ВМФ «ВМА им. Н.Г. Кузнецова», 2013. - 112 с.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Орощук Игорь Михайлович — доктор технических наук, профессор, [email protected],

Дальневосточный Федеральный университет,

Сучков Андрей Николаевич — кандидат технических наук, доцент, Suchkov-A2drey-1981 @ya2dex.ru,

Василенко Анна Михайловна — кандидат технических наук, научный сотрудник, [email protected],

Тихоокеанское высшее военно-морское училище имени С. О Макарова.

UDC 621.372

MONITORING OF SEA SURFACE CORRELATION SPATIAL FILTER DECAMETER RANGE

Oroshchuk Igor Mikhailovich, doctor of technical Sciences, Professor, [email protected], Far Eastern Federal University, Russia,

Suchkov Andrew Nikolaevich, candidate of technical Sciences, associate Professor, Pacific higher naval school named C Makarova, [email protected], Russia, Vasilenko Anna Mikhailovna, candidate of technical Sciences, researcher, [email protected], Pacific higher naval school named C Makarova, Russia.

The article presents the possibility of applying spatial correlation filter decameter range over the horizon radar systems for remote monitoring of the surface of the seas and oceans held in the interests of Meteorology and Oceanography. Advantages of spatial correlation filter before acting ZG radar to provide the required noise immunity and high aimed at lower economic costs of their implementation.

Key words: ZG radar; Doppler frequency shift; spatial correlation filter; noise immunity; directional properties; the cross-correlation function.

REFERENCES

1. Bykovskij L.M., Egorov V.I., Oleneva T.S. Sistemy i sredstva zagorizontnoj radiolo-kacii (Systems and tools over the horizon radar) // Referativnyj zhurnal po materialam otechest-vennoj i zarubezhnoj pechati za 1955—1991, 1991, Vyp. 19, 87 p.

2. Mishhenko Ju.A. Zagorizontnaja radiolokacija (Over the horizon radar), Moscow, Voenizdat, 1972.

3. Alebastrov V.A. Osnovy zagorizontnoj radiolokacii (Basis over the horizon radar), Moscow: Radio i svjaz', 1984.

4. Barrick D.E. The statistics of HF sea-echo Doppler spectrum (The statistics of HF sea-echo Doppler spectrum), IEEE Thans, On Antennas Propagat, 1977, AP-24, pp.19-28.

5. Dolgih V.N., Oroshhuk I.M., Borodin A.E. i dr. Poiskovye issledovanija principov postroenija diskretnyh antennyh sistem so sluchajno raspolozhennymi jelementami dlja perspek-tivnyh radiotehnicheskih sredstv korotkovolnovogo diapazona: otchet o NIR «Shalanda» (zakljuch) (Pilot study of the principles of discrete antenna systems with randomly spaced elements for prospective short-wave radio equipment range: a research report "Scow" (conclusion)). Vladivostok, IAPU DVO RAN; TOVMI, 2007, 114 p.

6. Dolgih V.N., Oroshhuk I.M., Prishhepa M.V. Verojatnostnye harakteristiki obnaruz-henija signalov korreljacionnym prostranstvennym fil'trom (Probabilistic characteristics of the detection signals of the correlation of the spatial filter), Akusticheskij zhurnal, Moscow, 2007. No 2, pp. 226-232.

7. Oroshhuk I.M., Dolgih V.N., Suchkov A.N. Verojatnostnye harakteristiki pros-transtvenno-korreljacionnogo metoda obnaruzhenija signalov v dekametrovom diapazone (Probabilistic characteristics of the spatial-correlation method detection signals in the decameter range), Zhurnal radiojelektroniki: jelektronnyj zhurnal, 2013, No 12, Rezhim dostupa: http://jre. cplire.ru/jre/dec13/5/text.html.

8. Richard Lajons. Cifrovaja obrabotka signalov (Digital signal processing: a tutorial): uchebnik / per. s angl, Moscow, OOO «Binom-Press», 2006, 656 p.

9. Oroshhuk I.M., Suchkov A.N., Vasilenko A.M. Metod snizhenija pogreshnosti vy-delenija ogibajushhej signalov v cifrovyh prostranstvenno-korreljacionnyh traktah obrabotki (Method of reducing errors in the selection of the envelope signal in the digital spatial-correlation processing paths), Cifrovaja obrabotka signalov, 2014, No 2, pp. 41-45.

10. Oroshhuk I.M., Dolgih V.N., Suchkov A.N. Izmeritel'noe ustrojstvo dlja ocenki pros-transtvenno- i chastotno-korreljacionnyh svojstv signalov i pomeh dekametrovogo diapazona (Measuring device for evaluating spatial - and frequency-correlation properties of signals and noise decameter range), Izvestija Volgogradskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta, 2013, Vyp. 8, No 23 (126), pp. 95-99.

11. Dolgih V.N. Prostranstvenno-korreljacionnye svojstva signalov i pomeh dekametro-vogo diapazona (Spatial-correlation properties of signals and noise decameter range) / V.N. Dol-gih, I.M. Oroshhuk, A.N. Suchkov; pod red. V.S. Kolmogorova, Vladivostok, Filial VUNC VMF «VMA im. N.G. Kuznecova», 2013, 112 p.

УДК 621.391.82

© А.Ю. Родионов, С.Ю. Кулик, 2014

ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ МНОГОЧАСТОТНЫХ СИСТЕМ СВЯЗИ C ОРТОГОНАЛЬНЫМ ЧАСТОТНЫМ УПЛОТНЕНИЕМ В КАНАЛАХ СВЯЗИ С ЗАМИРАНИЯМИ*

Рассмотрены многочастотные цифровые системы связи c OFDM модуляцией. Приводятся решения, позволяющие уменьшить пиковую мощность сигнала и повысить энергетическую эффективность системы. Исследуется влияние быстрых релеевских замираний на сигнал OFDM с дополнительной частотной модуляцией.

Ключевые слова: ортогональное частотное уплотнение, OFDM

Для дистанционных методов исследования природных сред требуются высокозащищенные от помех цифровые системы связи, так как каналы связи могут быть реализованы не только в радиоканале, но также и в гидроакустических средах. Одной из главных проблем в системах связи является качественная передача сигнала в условиях многолучевого распространения. За счет неидеальной импульсной характеристики канала связи возникают частотно-селективные замирания переданного сигнала. Для стандартных методов передачи цифровой информации на одной несущей частоте полные замирания отдельных частотных компонент в спектре приводят к необратимым искажениям сигнала и, соответственно, к неограниченному росту ошибок. Зачастую контролировать меняющиеся характеристики канала сложно, и, в принципе, при полных замираниях работа выравнивающих эквалайзеров неэффективна. Даже увеличение мощности передатчика не может помочь, если сигнал испытывает глубокие замирания [4]. Особенно ярко проявляются эффекты замирания при работе в непрямой видимости между передатчиком и приемником (NLOS - not line on sight). Со времен появления беспроводной цифровой радиосвязи эта проблема явилась камнем преткновения для высокоскоростных систем. Достичь большой пропускной способности в подобных условиях для мобильных объектов затруднительно.

*Работа поддержана Министерством образования и науки РФ (Госзадание № 11-41)

Актуальным решением проблемы явилась многочастотная система модуляции COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing - ортогональное частотное разделение каналов с кодированием).

Благодаря большому числу поднесущих N системы COFDM в комбинации с по-мехоустойчивым кодированием возможно восстановление отдельных поднесущих, ослабленных вследствие частотно-селективных замираний в канале. Необходимую длительность символа COFDM T определяет среднеквадратичное время разброса «эхо-сигналов» т. К примеру, при ширине полосы частот канала 2 МГц и т = 250 мкс число поднесущих должно быть равно 2000. В существующих системах для эффективной работы COFDM в условиях NLOS используется не менее 64 поднесущих.

Одним из главных недостатков OFDM сигнала является его большой пик-фактор, что характерно для многочастотных сигналов [5, 6]. Пикфактор многочастотного сигнала определяется соотношением:

PF = 10 • logi0 ( -Nqfdm ), (1)

где Nqfdm — число несущих частот OFDM сигнала. К примеру, при Nqfdm = 2048 пик-фактор равен 33 дБ, и поэтому помимо высокой линейности усилителя необходим достаточный запас по мощности. Минимум пик-фактора многочастотных сигналов определяется теоремой Мандельштама: закон распределения начальных фаз каждой несущей в многочастотном сигнале должен иметь псевдослучайный характер [1]. Поэтому для снижения пик-фактора сигнала данные предварительно кодируются псевдослучайным образом, и таким образом пикфактор максимума не достигает. Для псевдослучайного кода здесь необходим резко выраженный пик автокорреляционной функции.

Представим аналитически OFDM сигнал:

nqfdm -1 2nik-t—

Sqfdm (t) = £ Cke tqfdm , (2)

k=0

где Ск — комплексный вектор амплитуд несущих и Tqfdm — длительность символа OFDM, определяющий интервал между несущими частотами для условия их ортогональности:

4foFDM T ' TOFDM

Стандартный метод модуляции высокочастотной несущей а>0 аналитическим сигналом OFDM sOFDM (t) описывается выражением:

Nofdm -1 2nik-t—

s(t) = Re[ ^ Cke ToFDM ] • cos(co0t)-

k=0

2nik—

N -1 •> t

JVOFDM 1 ^ '

+ Im[ ^ Cke ToFDM ] • sin(®0t) . (4)

k=0

За счет модуляции аналитическим сигналом здесь достигается спектральная эффективность, при пикфакторе сигнала, определяемого формулой (1). Для снижения пикфактора OFDM сигнала до 0 дБ предлагается использовать угловую модуляцию высокочастотной несущей реальной или комплексной частью OFDM сигнала. В данном случае низкочастотный OFDM сигнал выполняет функцию аналогового модулирующего сигнала с гаус-совским распределением:

1 -Л

p(x) = —^e 2-2. (5)

ctv 2п

Дисперсия сигнала OFDM:

/Еощ^ , (6)

тогда p(x) = . e NoFDM . (7)

\nNOFDM

При анализе 4000 пакетов OFDM вероятность появления пикового значения не превышала 10" . Метод модуляции каждой несущей — квадратурная фазовая манипуляция (QPSK). Исходя из этого, можно задать границы разброса амплитуды сигнала OFDM, в зависимости от количества несущих частот, при отсутствии предварительного кодирования источника псевдокодом.

x

Nofdrr =32

1 /'

П

и у \

°-32 "28-24-20 -IS "12 "8 "4 0 4 8 12 16 20 24 28 32

Рис. 1. Нормальное распределение амплитуды OFDM сигнала при различном количестве несущих частот

°32 536 1040 1544 2048

Nofdm

Рис. 2. Зависимость амплитуды сигнала OFDM, от количества несущих частот. Вероятность появления пикового значения 10-7

Найдена достаточно точная аппроксимация функции на рис. 2:

Umsx (Nofdm ) = ЗМ-^Н^ . (8)

Соответственно, задаваясь вероятностью появления той или иной амплитуды можно легко найти аппроксимирующую функцию.

Для угловой модуляции необходимо выполнить нормировку по амплитуде сигнала OFDM:

0.293

||W (t)|| = 2 Cke ToFDM . (9)

VNOFDM k=0

Для частотной модуляции справедливо:

®(t) = ®0 +Д®ЛSoFDM (t)||, (10)

t t

p(t) = \a(t)dt = J( + Aa]\soFDM(0||) , (11)

,(12)

0

( ( 0 293 NOFDM-1 2nik--— ^ ^

^ ^ TOFDM

0.293

(t) = U0cos J ®0 + A^ N 2 C>

ke

у 0 у v OFDM k=0 j j

девиация частоты определяется выражением:

А©= 2п mFM • Fmax , (13)

здесь mFM — индекс частотной модуляции, Fmax— верхняя модулирующая частота:

N

F «Af •N = OFDM N >> 1 (14)

1 max 4/ ly OFDM ^ ■> ly OFDM ^^ 1 • V1^

T OFDM

Для последующего анализа помехоустойчивости сложного OFDM-4M сигнала, предположим наличие только аддитивного белого гауссовского шума со спектральной плотностью мощности равной N0 и оценим вероятность ошибки при различных методах модуляции несущих (QPSK, 16-QAM, 64-QAM). В данном случае нормировка OFDM сигнала справедлива и для многопозиционных методов модуляции несущих частот. Если применяется M-позиционная модуляция и вероятность появления каждого

символа одинакова, то:

1 —

p(x) =-. e NoFDM , (15)

M V nNOFDM

что определяет закон пик-фактора (7), в зависимости от количества несущих частот, при заданной вероятности.

Средняя мощность в полосе частот модулирующего сигнала равна:

ъ(16)

При малой амплитуде гармонической помехи на частоте о закон изменения фазы имеет следующий вид:

(p(t) = o0t + - sin (o0t -ot), (17)

—0

или

í

P(t) = {

o0 + (o0 -o)cos(o0t-ot) —0

dt. (18)

В этом случае малая по амплитуде аддитивная гармоническая помеха вызывает паразитную угловую модуляцию. Согласно формуле (17) модулирующая функция частоты, в зависимости от частоты ю и амплитуды ёЛш помехи на выходе частотного детектора:

ёЛ

8ю(^ =—ш (ю0-ю)cos (¿о/-ю^. (19)

ио

Средняя мощность этой функции есть мощность ёРюш, приходящаяся на диапазон частот ёю :

- ёЛ2 2

ёРош = т )2 = и (о -о)2, (20)

2и о

ёЛ2 2

здесь —^ = — (21)

2 п

-2 dA2 / ч2 2 N0 (о0 -o)2 do

тогда dPam = So(t )2 = -А (о0 - о)2 = ^ '-

2—2 07 —

(22)

По условию энергетический спектр помехи равномерен в диапазоне от ю0 - 2п^тах до ю0 + 2п^тах и равен нулю вне этого диапазона. Поэтому

°о+Пт.х 2N (ю0 - ю)2 ёю

Рюш = I ^ г}-• (23)

2 „ пи0

ю0 -2п^тах 0

Сделав замену переменных ю1 = ю0 - ю , получим мощность шума в полосе частот модулирующего сигнала:

р = 2ПГ 4Н0ю2ёю1 = 4^0(п^)3 = 32N0п2М3отм юш I _тт2 1„.тт2 17-7-2^3 ' V7- V

0 пи0 3пи 0 3и0 7ожм

находим соотношение сигнал/шум в полосе частот модулирующего сигнала:

Pox = A®2 3UITifdmm

P 2 32N ж2N3

ют J 1VOFDM

и преобразовывая данное выражение, получим:

P 3U2m2 T

±шс_ 0" FM OFDM

Рют 16N0Nofdm

(25)

(26)

Энергия символа OFDM определяется выражением:

FsOFDM = PmcTOFDM , (27)

энергия на бит OFDM:

T

E = P OFDM__(28)

bOFDM Гюс Л7- , , г '

NOFDM • §2 M

Мощность шума в полосе частот сигнала OFDM:

N

P = N F = N OFDM (29)

1 ют 0Ю max 0ю rji ' \Z'J)

TOFDM

Здесь N0® - спектральная плотность мощности шума в полосе частот модулирующего сигнала OFDM.

(

Для определения функции вероятности ошибок Pe

N

у 1У0ю j

необходимо определить параметр F

N0®

F T N

bOFDM = р OFDM___1 Y OFDM

N0® 0X Nofdm P^OFDM • l0g2 M P 3U2m 2 T

= 1 юс = 0"OFDM (30)

Km • l0§2 M 16N(1NOFDM ■ l0§2 M '

Вероятность ошибки для M-QAM модуляции определяется выражением:

21 1 --

1

e log^VM Q

'3log^N/M ^ 2Fb

M -1

N0

(31)

где M — количество точек в

созвездии

QAM,

и

Q (x) =

1 да

— гауссов интеграл ошибок.

42л-

Выполняя подстановку, получим: 1

P

21 1 —

4M

• Q

9U2т2 T

FM OFDM

16 N0NOFDM

(М — 1)

(32)

Для обычной OFDM c модуляцией каждой несущей путем M-QAM:

U 2T

^О1 OFDM

No 2 • log2M • N

• N

OFDM 0

тогда Pe

21 1 —

1

4M

\og24M

• Q

3•U T

0 OFDM

' 2 (M — 1)No No

(33)

(34)

К примеру, для перехода от 4^АМ^Р8К) к 16-QAM при Ре = 10-3 необходимо увеличение мощности на 5.2 дБ (в 3.31

раза), отсюда увеличение индекса модуляции, согласно до 3.97. Однако, при переходе к многопозиционным системам без изменения мощности в OFDM-ЧМ приводит к уменьшению спектральной эффективности системы, ввиду увеличения индекса модуляции.

P

21 1 —

1

4M

iog2VM

• Q

16 N N

0 OFDM

(35)

Данное выражение (35) является базовым для OFDM-4M сигнала, так как определяет связь между спектральной и энергетической эффективностью, вероятностью ошибки в системе и количеством точек в созвездии QAM.

Анализируя полученные данные можно сделать выводы о применимости ОРБЫ-ЧМ модуляции с многопозиционной под-модуляцией ортогональных несущих. Главным преимуществом ОРБЫ-ЧМ сигнала является его минимально возможный пик-фактор в 0 дБ, что подразумевает использование высокоэффективного нелинейного усиления с высоким кпд. ОРБЫ-ЧМ предпочтительнее использовать при большом количестве несущих частот, где пик-фактор сигнала достаточно велик. Возможно применение ОРБЫ-ЧМ в различных широкополосных приложениях, где излучаемую мощность сигнала можно свести к минимуму, что немаловажно для электромагнитной экологии, поэтому необходимо дальнейшее исследование свойств ОРБЫ-ЧМ сигнала с большими индексами модуляции.

В нестационарных каналах доплеровский эффект приводит к появлению случайной ЧМ компоненты на выходе ФНЧ (фильтр нижних частот), поэтому учитывая, гауссовский шум в полосе частот ЧМ сигнала, необходимо определить мощность суммарной помехи на выходе фильтра нижних частот. Для определения мощности помехи на выходе ФНЧ, определим корреляционную функцию сигнала на выходе ЧМ детектора. Общее выражение для корреляционной функции мгновенной частоты получено Рай-сом [3]:

явТ) = -

(

Т / Т)

Т) ё (Т)

■ 1п

1 -

Г(0 )

(36)

Здесь ё (т) = (т) + gN (т) , ё/ (т) и ё" (т) — это корреляционная функция ЧМ сигнала и его первая и вторая производные соответственно. Если характеристика фильтра ПЧ имеет гауссов-

скую форму, то gN (т) = N ■ е~лВ Т , где N - мощность шума; В -

ширина полосы ПЧ тракта. Для модели с плотным размещением рассеивающих элементов корреляционная функция замирающего сигнала определяется выражением

(т) = ■ J0 (2п ■ /Ооррт) , (37)

где — мощность принимаемого сигнала; - функция Бесселя первого рода нулевого порядка, /Оорр — максимальный допле-

1

ровский сдвиг. При наличии быстрых релеевских замираний и гауссовского шума отношение средних мощностей сигнала OFDM и помехи на выходе ФНЧ будет определять вероятность ошибки в системе связи.

Мощность помехи I на выходе ФНЧ с прямоугольной частотной характеристикой определяется выражением

I = 2

sin ( 2nWT)

пт

Rg (т~)ёт.

(38)

W =

No

To,

— частота среза ФНЧ. Средняя мощность сигнала

OFDM на выходе ФНЧ равна Sout =

А®

где А® = 2п • mPMW.

Здесь mpM = B' Topdm

2 N

V о

индекс частотной модуляции.

Путем численного интегрирования выражения (4) получим мощность помехи на выходе ФНЧ. Исходя из соотношений сигнал-шум на входе и величины доплеровского сдвига, определим зависимость соотношения сигнал-помеха на выходе ФНЧ: В наземных цифровых системах, где доплеровский сдвиг не превышает 370 Гц, применяя 16-ОАМ и 64-ОЛМ для модуляции несущих ОРБМ-ЧМ (Ма1юм = 1000, А/отм = 1 кГц) можно увеличить скорость передачи до 2 и 3 Мбит/с соответственно, сохраняя

Рис. 3. График зависимости соотношения сигнал-помеха на выходе ФНЧ от соотношения сигнал-шум на входе ПЧ. mpM= 2,63.. Вероятность ошибки 103

со

2

отношение -> 3 . Для этого потребуется соотношение сиг-

fDopp

нал/шум в ПЧ тракте 6.5 дБ и 12.5 дБ для 16-QAM и 64-QAM соответственно (mFM = 2.63) . Исследования показали, что, увеличивая индекс mFM для OFDM-4M, можно не только «смягчить» требования по соотношению сигнал-шум и увеличить пропускную способность канала, но и допустить более высокие значения доплеровского сдвига. Для стационарных высокоскоростных систем (64 Мбит/с) релеевские замирания, вызванные движением внешних объектов, существенного влияния оказывать не будут W

->> 100.

f

J Dopp

Очевидно, что при создании систем связи, использующие OFDM для преодоления проблем непрямой видимости, потребуется все большее количество недорогого оборудования. Значительный вклад в стоимость оборудования вносят сложные линейные каскады, требующиеся для реализации COFDM, поэтому актуально применение сигналов с минимально возможным пикфактором. При этом требуются многочастотные сигналы устойчивые к воздействию быстрых релеевских замираний в нестационарных каналах. Это позволит поддерживать устойчивую связь с быстро-движущимися объектами в каналах с сильным рассеянием по времени и по частоте.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Сикарев А.А., Лебедев О.Н. Микроэлектронные устройства формирования и обработки сложных сигналов. — М.: Радио и связь, 1983. — 216 с.

2. Связь с подвижными объектами в диапазоне СВЧ / Под ред. У.К. Джейкса: Пер. с англ./Под ред. М.С. Ярлыкова, М.В. Чернякова. -М.: Связь, 1979. - 520 с.: ил.

3. Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Изд. 2-е, испр.: пер. с англ. М.: Изд. дом «Вильямс», 2003. 1104 с.

4. Феер К. Беспроводная цифровая связь. Методы модуляции и расширения спектра: пер. с англ. / под ред. В.И.Журавлева. М.: Радио и связь, 2000. 520 с.

5. Fischer W. Digital television. A practical guide for engineers. Berlin; Heidelberg: Rohde & Schwarz GmbH & Co.: Springer-Verl., 2004. 383 p.

6. Mobasher A. PAPR reduction using integer structures in OFDM systems. Coding & Signal Transmission Labo-ratory Department of Electrical & Computer Engineering University of Waterloo, Ontario, Canada, N2L 3G1. Technical Report UW-E&CE#2004-06. 2004. - http://www.cst.uwaterloo.ca/ ~amin/Research/TechUW200406.pdf.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Родионов Александр Юрьевич — кандидат физико-математических наук, доцент, [email protected], Инженерная Школа Дальневосточного федерального университета.

Кулик Сергей Юрьевич — инженер, [email protected], +79147009359)

UDC 621.391.82

FEATURES OF THE APPLICATION OF MULTI-FREQUENCY COMMUNICATION SYSTEM WITH ORTHOGONAL FREQUENCY DIVISION IN COMMUNICATION CHANNELS WITH FADING

Rodionov A.Y., associate Professor in the Engineering School FEFU, candidate of physico-mathematical Sciences, [email protected], Russia, Kulik S.Y., FEFU, engineer, [email protected], Russia.

The article deals with multi-frequency digital communication system c OFDM modulation. The solutions are available to reduce the peak signal power and improve the energy efficiency of the system. Investigated the influence of Rayleigh fading on the OFDM signal with an additional frequency modulation.

Key words: orthogonal frequency division multiplexing, OFDM.

REFERENCES

1. Sikarev A.A., Lebedev O.N. Mikrojelektronnye ustrojstva formirovanija i obrabotki slozhnyh signalov (Microelectronic device design and processing of complex signals), Moscow, Radio i svjaz', 1983, 216 p.

2. Svjaz' s podvizhnymi ob#ektami v diapazone SVCh (Communication with moving objects in the range microwave), Pod red. U.K, Dzhejksa, Per. s angl./Pod red. M.S. Jarlykova, M.V. Chernjakova, Moscow, Svjaz', 1979, 520 p.

3. Skljar B. Cifrovaja svjaz' (Digital communications). Teoreticheskie osnovy i prak-ticheskoe primenenie. Izd. 2-e, ispr.: per. s angl, Moscow, Izd. dom «Vil'jams», 2003, 1104 p.

4. Feer K. Besprovodnaja cifrovaja svjaz'. Metody moduljacii i rasshirenija spektra (Wireless digital communication. Methods of modulation and spread spectrum): per. s angl, pod red. V.I.Zhuravleva, Moscow, Radio i svjaz', 2000, 520 p.

5. Fischer W. Digital television. A practical guide for engineers. Berlin; Heidelberg: Rohde & Schwarz GmbH & Co.: Springer-Verl., 2004, 383 p.

6. Mobasher A. PAPR reduction using integer structures in OFDM systems. Coding & Signal Transmission Labo-ratory Department of Electrical & Computer Engineering University of Waterloo, Ontario, Canada, N2L 3G1. Technical Report UW-E&CE#2004-06, 2004, http://www.cst.uwaterloo.ca/ ~amin/Research/TechUW200406.pdf.

УДК 621.187.7:662.61-634.2 © В.Н. Стаценко, 2014

ЖИДКОСТНАЯ НЕЙТРАЛИЗАЦИЯ ГАЗОВЫХ ВЫБРОСОВ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

Рассмотрены разработанные нами конструкции жидкостных нейтрализаторов типа НГЖ-2, в которых организуется восходящее пленочное движение жидкости в пакете вертикальных Г-образных пластин, типа НГЖ-3, в котором жидкость движется в виде сначала восходящей, затем нисходящей пленки жидкости по поверхности трубчатых коаксиальных элементов и типа НГЖ-4 и НГЖ-5, которые имеют аналогичную схему действия, но выполнены в виде плоской конструкции. Для более удобной компоновки в схеме энергетической установки разработан пленочный нейтрализатор типа НГЖ-7 с горизонтальным пакетом пластин. Проведены испытания различных конструкций нейтрализаторов на действующем оборудовании.

Ключевые слова: очистка выхлопных газов энергетических установок, жидкостные нейтрализаторы, пленочное движение жидкости, исследования тепло-и массообмена между газом и жидкостью, испытания различных типов нейтрализаторов.

Крупные города и мегаполисы имеют повышенное загрязнение атмосферы за счет концентрации газовых и аэрозольных токсичных веществ, которые выбрасываются различными стационарными источниками, а также наземным, воздушным и водным транспортом.

Одним из направлений снижения загрязнения атмосферы городов необходимо признать очистку дымовых газов энергетических установок с помощью жидкостных нейтрализаторов. Такие методы очистки газов используются в стационарной энергетической технике, а также в подземном автомобильном транспорте [1], наиболее благоприятно использование таких устройств на водном транспорте.

Анализ схем жидкостных нейтрализаторов показывает, что пленочные контактные тепломассообменные аппараты наиболее полно соответствуют техническим условиям очистки выхлопных газов в судовых энергетических установках [1]. Рабочий процесс таких аппаратов основан на создании нисходящего или восходя-

щего пленочного течения жидкости и прямоточного или проти-воточного движения токсичного газа вдоль пленки жидкости. В нейтрализаторе с нисходящим противоточным (относительно газа) движением жидкости пленка перемещается под действием сил тяжести по поверхности стенки, газ движется вверх (рис. 1, а). Такие нейтрализаторы имеют низкое гидравлическое сопротивление и достаточно высокие массогабаритные показатели. Они могут использоваться при очистке газов котлов [1, 2].

В нейтрализаторе с восходящим прямоточным движением (рис. 1, б) пленка образуется и перемещается под воздействием сил трения между газом и жидкостью за счет энергии газа. Такое движение пленки возможно при скоростях газа более 7 - 8 м/с.

При восходящем течении пленки жидкости нет необходимости в насосах, проще организовать циркуляцию жидкости и течение жидкости в виде пленки. На создание восходящего течения необходимы затраты энергии, поэтому эти аппараты обладают повышенным гидравлическим сопротивлением и могут использоваться для энергетических установок с повышенными параметрами уходящего газа. Они могут использоваться при очистке газов двигателей внутреннего сгорания.

В жидкостном нейтрализаторе рабочей средой может использоваться морская или льяльная, загрязненная нефтепродуктами вода, которая после многократного использования в нейтрализаторе направляется в сепаратор льяльных вод [2].

На рис. 2, а представлена схема нейтрализатора отработавших газов НГЖ-2 разработанная нами (патент РФ № 2013579). Основным рабочим элементом этого нейтрализатора является пакет (8-10 шт.) Г-образных пластин 1, размещенных в корпусе. Корпус имеет входной патрубок 2, входную камеру 3, перегородку 4, отделяющую рабочий канал 5 от входной камеры и поддона 6. Рабочие пластины имеют вертикальный участок 5 постоянного сечения и горизонтальный участок 7 с расши-

Г

V )

г

I I

I I Газ I

т

Жидкость

Газ

I

Жидкость

V )

Рис. 1. Схемы нисходящего противоточного (а) и восходящего прямоточного (б) движения пленки жидкости и газа

б

а

ряющимся сечением для прохода газов. Этот участок через жа-люзийный сепаратор 8 соединяется с выходным патрубком 9. Нижняя часть пластин погружена в рабочую жидкость 12. Поддон 6 соединяется с входной камерой 3 через трубу 10, накрытую сверху колпачком 11. Подпитка рабочей жидкостью осуществляется через патрубок 13.

Устройство работает следующим образом. Отработанный газ ДВС поступает через трубу 2 во входную камеру 3, откуда попадает в нижнюю часть вертикального канала 5. При этом газ проходит через слой нейтрализующей жидкости 12, захватывает ее и движется вверх между Г-образными пластинами 1. Жидкость движется вверх по поверхности пластин 1 в виде пленки. Поскольку суммарная поверхность пластин имеет большую величину, происходит интенсивный массообмен между жидкостью и газом, т.е. идет интенсивная очистка газов.

При движении газа с пленкой жидкости в расширяющемся участке 7, вследствие уменьшения скорости потока жидкость стекает с Г-образных пластин в поддон 6. При этом газ, проходя через сепаратор 8, очищается от капель жидкости и выходит из корпуса нейтрализатора через выхлопной патрубок 9. Из поддона 6 рабочая жидкость через патрубок с крышкой 11 поступает в нижнюю часть приемной камеры 3.

Аналогичный нейтрализатор с восходящей и частично нисходящей пленкой жидкости НГЖ-3 разработан нами (патент РФ № 2022128).

Аппарат имеет цилиндрическую форму с рабочими поверхностями в виде коаксиальных труб (рис. 2, б). Отработанный газ, проходя через рабочий канал между трубами 2 и 3, захватывает и уносит вверх жидкость в виде пленки. В верхней части аппарата направление течения пленки и газа меняется на нисходящее. Это производится с помощью пленкообразователя 4 и отражателя потока 5. При нисходящем движении сечение канала увеличивается, скорость значительно уменьшается. В нижней части цилиндрической поверхности 6 установлены пленкосниматели 7, преобразующие пленку в струи, чем обеспечивается лучшая сепарация жидкости. Очищенный газ удаляется через патрубок 8, а жидкость собирается в нижней части корпуса 9 и через переливные трубы 10 возвращается в рабочий канал на повторное использование.

Рис. 2. Схемы нейтрализаторов с восходящим пленочным течением жидкости НГЖ-2 (а) и НГЖ-3 (б)

б

а

В нижней части корпуса 9 возможно размещение устройства с реагентом для восстановления поглощающих свойств жидкости. Подпитка аппарата производится через патрубок 11, излишек питательной жидкости сбрасывается через патрубок 12, с его помощью поддерживается постоянный уровень жидкости в аппарате.

С целью уменьшения габаритов разработаны аналогичные, но плоские конструкции жидкостных нейтрализаторов НГЖ-4 и НГЖ-5. Они выполняются из листового материала, просты, технологичны.

Для более удобной компоновки в схеме энергетической установки разработан пленочный нейтрализатор типа НГЖ-7 с горизонтальным пакетом перфорированных пластин (рис. 3). Пленочное течение жидкости по поверхности пластин образуется под действием спутного потока газов. Жидкость в аппарат подается через распылительное устройство. За счет перфорации пластин пленочное течение жидкости организуется на верхней и нижней поверхностях пластин. На выходе газа из корпуса установлен жа-люзийный сепаратор.

В жидкостных нейтрализаторах по ходу газа происходят сложные процессы тепло- и массообмена. При этом происходит абсорбция газов в пленку жидкости, испарение жидкости, изменение температур газа и жидкости. Разные токсичные составляющие

дымовых газов имеют различную поглотительную способность. В настоящей работе проведены экспериментальные исследования по абсорбции разных газов в пленку пресной и морской воды, по испарению пленки воды, изменению температур газа и пленки, а также проведено сопоставление этих данных с разработанной теоретической диффузионной моделью массообмена. Эти данные позволят определять оптимальные размеры пленочных массообменных аппаратов.

Для экспериментальных исследований этих процессов был создан и применялся стенд (контактный массообменный аппарат) КМА-1, в котором моделировался процесс взаимодействия газа с восходящей или нисходящей пленкой жидкости. В стенде использовался вертикальный канал прямоугольного сечения 200x20 мм, длиной 1,5 м. В верхней и нижней частях канала установлены плоские коллекторы, через которые подается вода на создание нисходящей или восходящей пленки. Поток газа моделировался воздухом, подаваемым в рабочий канал высоконапорным вентилятором. Подготовка газо-воздушной смеси производилась в трубе перед входом в стенд КМА-1. Для этого создавались смеси воздуха с углекислым газом (СО2) и двуокисью серы (502). Газ на анализ отбирался через трубки, установленные через каждые 300 мм в рабочем канале.

При исследовании теплоотдачи производилось измерение относительной и абсолютной влажности и температуры газового потока по длине рабочего канала. При этом получено, что интенсивность изменения влажности газового потока и температура зависят от критериев Явг (газового, определяющего расходные характеристики газового потока), Яепл (пленочного, характеризующего расходные характеристики пленки) и начальных параметров газового потока. При критерии Яег« (18...25)-103 критерий Яепл слабо влияет на интенсивность изменения относительной влажности. Температура и, соответственно, теплоотдача от газа к пленке жидкости резко уменьшается на начальном участке рабочего канала.

Рис. 3. Схема нейтрализатора типа НГЖ-7

Экспериментальные данные по теплообмену обобщаются критериальным уравнением

Ни = 14,5 • Яе°:65- ЯеПЛ• Ои-02 • Рг0 33 (%)1,2 (1)

Здесь Ни = — критерий Нуссельта; Ои = (ТГ - ТВ )/ТГ

— критерий Гухмана; Рг - критерий Прандтля; ЯеПЛ = ОВ/(Пув )

— критерий Рейнольдса, пленочный; ЯеГ = УГ ■ I/уг — критерий Рейнольдса, газовый; 8 — определяющий размер, м; ТВ, ТГ — абсолютные температуры жидкости и газа, К; ОВ,УГ — расход жидкости (м3/с) и скорость газа (м/с); П, I - периметр пленочного потока и определяющий размер газового потока, м; уВ, уГ - кинематические вязкости жидкости и газа, м2/с.

Эта зависимость нами уточнена с введением поправки на длину рабочей пластины, т.к. теплоотдача по длине пластины резко уменьшается на начальном участке.

В настоящей работе проведены экспериментальные исследования по абсорбции разных газов в пленку пресной и морской воды, а также проведено сопоставление этих данных с разработанной теоретической диффузионной моделью массообмена. Полученные данные показывают, что в пленочных нейтрализаторах с длиной рабочих пластин 0,6-1 м возможно снижение концентрации окислов углерода СО2, СО и азота НО на 25-45 %, двуокисей серы БО2 и азота НО2 - на 70-80 % (рис. 4). Эти данные помогают определять оптимальные размеры пленочных массообменных аппаратов.

Экспериментальные данные по массоотдаче обобщаются следующими критериальными уравнениями

1. Для абсорбции углекислого газа СО2

— в нисходящей пленке

Ниа = 0,71Ре0о5; (2)

— в восходящей пленке

Нив = 0,35Ре£26; (3)

2. Для абсорбции оксида серы БО2 в нисходящей пленке

Нив = 2Ре0о5, (4)

Рис. 4. Изменение концентрации С02 (а) и 8О2 (б) в воздухе по длине контакта при нисходящем пленочном течении воды:

а) Яв= 20-103; 1 - Явт = 110; 2 - 230; б) и = 17 оС; Квг = 15103;

Явг = 31103: 3 - Явш =76; 4-45; 5-28; Пресная вода: 1 - Яет= 174; 2 -137; 3 - 63;

гг =120°С; 6 - Явг = 19-103; Явпл = 76 Морская вода: 4 - Явпл = 75

б

а

где PeD = Re- PrD (S/L) — критерий Пекле, диффузионный;

Nud = g Г/ (pDAC ) — критерий Нуссельта, диффузионный; L -

длина пробега пленки, м; gr - поток газа при абсорбции, кг/(м2-с); p — плотность, кг/м3; D - коэффициент диффузии, м2/с; АС -концентрационный напор.

Для апробации теоретических и экспериментальных данных были проведены натурные испытания нейтрализаторов типа НГЖ-2 и НГЖ-7 на судовом дизеле 4NVD24, которые показали следующее. Температура газа за нейтрализатором практически не зависит от нагрузки дизеля и режимных параметров нейтрализатора и составляет 50...55 0С. Интенсивность очистки газов от плохо растворимых в воде окислов углерода (СО) и окислов азота улучшается на 20 — 30 %, от хорошо растворимых двуокиси азота (NO2) - на 60 — 85 % и двуокиси серы - на 90-100 %. При использовании в качестве рабочей жидкости морской воды интенсивность очистки повышается на 30 — 35 %.

Анализ концентрации сажистых частиц методом отбора проб через фильтрующий материал (фильтр АФА-ВП-20) показал уменьшение их содержания за нейтрализатором на 70.90 %. При этом выявлено увеличение влажности газа, что проявляется наличием за нейтрализатором полупрозрачного уходящего газа белого цвета, быстро растворимого в воздухе. Запах газа практически отсутствует.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Стаценко В.Н. Совершенствование экологической безопасности СЭУ/ Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 1997. -126 с.

2. Стаценко В.Н., Якубовский Ю.В. Перспективы экологической эффективности судовых энергетических установок / Судостроение, № 5, 2003. С.28-31.

КОРОТКО ОБ ABTOPE

Стаценко Владимир Николаевич — доктор технических наук, профессор, Дальневосточный федеральный университет, [email protected].

UDC 621.187.7:662.61-634.2

LIQUID NEUTRALIZATION OF EXHAUSTED GASES FROM ENERGY INSTALLATIONS

Statsenko Vladimir Nikolaevich, doctor of technical Sciences, Professor, Dalnevostochny-tion Federal University, [email protected], Russia.

One of the basic solutions of the problem of major cities and metropolitan areas pollution is purification of exhausted gases ofpower installations with the help of liquid neutralizers. The schemes of liquid toxic gases neutralizers of different types developed by us are presented in the work at hand. The ascending film movement of liquid in the package of vertical r-shaped plates is implemented in the neutralizer HrM-2 (GLN-2). In the neutralizer HrM-3 (GLN-3) the liquid goes as ascending and then as a descending film on a surface of tubular coaxial elements. Neutralizers HrM-4 (GLN-4) and HrM-5 (GLN-5) have a similar construction model, but they are executed as flat designs. HrM-7 (GLN-7) film neutralizer with a horizontal package of plates was developed for a more convenient configuration in the circuit ofpower installation. Complex processes of heat and mass transfer between gas and liquid take place in liquid neutralizers along the course of gas. Due to the advanced area of contact (especially in neutralizers with packages of plates) there is a significant purification of toxic gas components and aerosols. Theoretical and experimental researches of hydraulic characteristics of devices, heat and mass transfer studies were conducted for various circuits of neutralizers. The absorption of C02, CO, SO2, NOx gases in a film of liquid was also studied. Tests of various types of neutralizers for the use in internal combustion engines were carried out.

Key words: exhausted gases of power installations purification, liquid neutralizers, film movement of liquid, researches heat and mass transfer between gas and liquid, tests of various types of neutralizers.

REFERENCES

1. Stacenko V.N. Sovershenstvovanie jekologicheskoj bezopasnosti SjeU (Improvement of environmental safety of EMS), Vladivostok, Izd-vo DVGTU, 1997, 126 p.

2. Stacenko V.N., Jakubovskij Ju.V. Perspektivy jekologicheskoj jeffektivnosti sudovyh jenergeticheskih ustanovok (Perspectives environmental performance of the su-annual energy installations), Sudostroenie, No 5, 2003. pp.28-31.

УДК 621.3.049.77

© Л. Г. Стаценко, О. А. Пуговкина, 2014

ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ РАЗОМКНУТОГО КОЛЬЦЕВОГО РЕЗОНАТОРА ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ЛОКАЦИОННЫХ РАДИОСИСТЕМ*

Исследована возможность применения составного элемента метама-териала, разорванного кольцевого резонатора, в конструкции СВЧ устройств для дистанционного зондирования. Описывается зависимость эффективной магнитной проницаемости и резонансной частоты разорванного кольцевого резонатора от размеров внутреннего радиуса, от расстояния между двумя разомкнутыми кольцами и от ширины каждого кольца. Рассматривается способ настройки параметров разорванного кольцевого резонатора для построения резонансной цепи в зависимости от предъявляемых требований к устройству СВЧ.

Ключевые слова: разомкнутый кольцевой резонатор, метаматериал, радиолокация, дистанционное зондирование.

Для дистанционного зондирования во многих областях (исследование атмосферы, земных покровов, водных поверхностей и биологических объектов) применяют микроволновые методы. Скорость и качество обработки и интерпретации радиофизической информации, получаемой при этом, зависит от используемых локационных радиосистем. На сегодняшний день точность радиотехнической аппаратуры во многом достигается за счет использования дорогих высококачественных СВЧ узлов, которые в последнее время практически достигли своего совершенства. Поэтому проблеме поиска альтернативных методов повышения эффективности СВЧ компонентов уделяется весьма пристальное внимание.

В последние годы все больший интерес вызывают исследования в области создания искусственных материалов. Метаматериал является одним из таких материалов. Он состоит из металлических элементов различной геометрии, образующих регулярную структуру (рис. 1). Порядок, состав, расположение и форма элементов определяют волновые свойства метаматериалов [1 - 4]. Использование метаматериалов для СВЧ-устройств позволяет создавать эти

*Работа поддержана Министерством образования и науки РФ (Госзадание № 11-41) 110

Рис. 1. Метаматериал (один из вариантов реализации)

устройства с улучшенными характеристиками и расширенными функциональными возможностями [5 - 7].

В данной статье предлагается рассмотреть разомкнутый кольцевой резонатор (Split Ring Resonator - SRR), составной элемент метаматериала (рис. 2), определить его магнитные и резонансные свойства и их влияние на особенности конструирования СВЧ устройств локационных радиосистем.

н L

® 1—ч

Рис. 2. Разомкнутый кольцевой резонатор

Поскольку волновые свойства SRR зависят от его геометрических размеров, тогда исследуем их влияние. Найдем зависимость эффективной магнитной проницаемости и резонансной частоты от размеров внутреннего радиуса, расстояния между двумя разомкнутыми кольцами и ширины каждого кольца.

Считаем, что SRR вытравлен на диэлектрический подложке с Sr = 2.2 (Rogers Duroid 5880). Моделирование проводим в Matlab. Эффективная магнитная проницаемость SRR (рис. 2) согласно [2] записывается, как

= 1 --

пг

„2

2 Ri cor^0

3dc0

2 2 3 пю r

(1)

1

где г - расстояние до внутреннего кольца (внутренний радиус); й - расстоянием между двумя разомкнутыми кольцами; с - ширина каждого кольца; I - расстояние между двумя кольцами в плоскости Н; а - расстояние между соседними ячейками

Геометрические размеры (рис. 2) выбираем, исходя из следующего: г >>с; 1п (с/й) << п; I < г.

Определим влияние параметра г. Задаем а = 10 мм, с = 1 мм, й = 0,1 мм, I = 2 мм.

Из графика на рис. 3 видно, что с увеличением внутреннего радиуса г растет значение эффективной магнитной проницаемости: = 4,753 при г = 1,5 мм, = 6,834 при г = 2 мм, = 9,243 при г = 2,5 мм. Таким образом, чем больше значение г, тем большее усиление получает магнитное поля, проходя через тем эффективнее будет использован.

Для анализа влияния ширины кольца задаем а = 10 мм, г = 2 мм, й = 0,1 мм, I = 2 мм.

График зависимости ц^с) (рис. 4) показывает, что чем больше ширина кольца с, тем слабее магнитные свойства цеа=7.68 при с=0.5 мм, цей=6.834 при с=1 мм, цей=6.477 при с=1.5 мм.

На рис. 5 представлена зависимость магнитных свойств от параметра d при а = 10 мм, г = 2 мм, с = 1 мм, I = 2 мм. Из данного графика (рис. 5) очевидно, что с увеличением расстояния между кольцами 1 и 2 - d значение ц^ растет, то есть магнитное поле, проходящее через усиливается: цей- = 6,371 при й =

0,07 мм, = 6,834 при й = 0,1 мм, = 7,017 при й = 0,12 мм.

16

£

л

1,5 1 я Г, ММ Л 4,5

Рис. 3. График зависимости Цец(г)

Рис. 4. График зависимости Ред(с)

Рис. 5. График зависимости ред(й)

Определим изменение какого параметра позволит достичь максимального значения эффективной магнитной проницаемости. Рассмотрим, например, со следующими параметрами: г = 2 мм, с = 1 мм, й = 0.1 мм, а = 10 мм, I = 2 мм, где = 6.834. Если меняем параметр с, тогда цеатах = 7.68 при с = 0.5 мм (рис. 4). При изменении параметра й, цейтах = 7.017 при й = 0.12 мм (рис. 5). Меняем параметр г, тогда ц^тах=9.243 при г = 2.5 мм (рис. 3).

Отсюда видно, что при неизменном внутреннем радиусе г для улучшения магнитных свойств необходимо уменьшить

ширину кольца с. Увеличение г дает максимальное увеличение магнитного поля, проходящего через при неизменных ос-

тальных параметрах.

Найдем зависимость резонансной частоты от геометрических размеров

Из рис. 6 видно, что при росте внутреннего радиуса г резонансная частота Б уменьшается. Для с г=1.5 мм резонанс наступает при Б=1.466 ГГц, для с г=2 мм - Б=0.952 ГГц, для с г=2.5 мм - Б=0.681 ГГц.

Увеличение ширины кольца с соответствует снижению резонансной частоты Б (рис. 7). Для с с=0.5 мм резонанс наступает при Б=1.086 ГГц, для с с=2 мм - Б=0.952 ГГц, для с с=1.5 мм - Б=0.893 ГГц.

1,4

0,4

1,-5 1 Гг 3 мм 5.5 1- 4.5

Рис. 6. График зависимости ¥(т)

0.3 ---

4*5 О.в 1 1.5

с, мм

Рис. 7. График зависимости Г(с)

1.1 1,04 1

1= № иг

й.Ч 0.35 0.3

0.® 0.Д7 0.1 <¡.11 0.14

С), ММ

Рис. 8. График зависимости Г(ф

Рис. 8 показывает, что с ростом расстояния между кольцами й растет и значение резонансной частоты Б. Для с й = 0,07 мм резонанс наступает при ¥ = 0,9 ГГц, для с й2 = 0,1 мм - ¥ = 0,952 ГГц, для й = 0,12 мм - ¥ = 0,982 ГГц.

Как было показано выше, Центах = 9,243 при г = 2,5 мм, с = 1 мм, й = 0,1 мм, а = 10 мм, I = 2 мм (рис. 3), тогда резонанс наступает при ¥ = 0,681 ГГц (рис. 6). Однако наибольшего значения резонансная частота достигает 1.466 ГГц (рис. 6), когда ^ = 4,753, г = 1,5 мм, с = 1 мм, й = 0,1 мм, а = 10 мм, I = 2 мм (рис. 3).

Таким образом, результаты параметрического анализа (рис. 38) могут обеспечить интуитивно понятный способ настройки параметров для построения резонансной цепи в зависимости от предъявляемых требований к устройству СВЧ.

Очевидно, что при проектирование СВЧ устройств дистанционного зондирования с использованием включений из метама-териала параметры могут потребовать корректировки с учетом требований к резонансной частоте или эффективной магнитной проницаемости. А для этого, как было показано, необходимо знать, какое влияния на них оказывают геометрические размеры (размер внутреннего радиуса, расстояние между двумя разомкнутыми кольцами и ширина каждого кольца). Знание этой зависимости обеспечит успешное решение поставленных инженерный задач.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Веселаго В.Г. Электродинамика веществ с одновременно отрицательными значениями ц и s . // УФН. 1967. Т.92. № 3, с. 517-526.

2. Pendry J.B. et al. Magnetism from conductors and enhanced nonlinear phenomena // IEEE Trans. Microw. Theory Tech., Nov. 1999, Vol. 47, No. 11, p. 2075-2081.

3. Smith D.R. et al. Composite Medium with Simultaneously Negative Permeability and Permittivity // Physical Review Letters, Vol. 84, N 18, 1 May 2000, p. 4184-4187.

4. Стаценко Л.Г., Понедельникова О.А. Сравнение свойств диэлектрика и метаматериала при отражении и преломлении волн на границе раздела сред // Материалы III Всероссийской научно-технической конференции «Технические проблемы освоения мирового океана». Владивосток: Изд-во «Дальнаука» ДВО РАН, 2009, с. 121 - 124.

5. Стаценко Л.Г., Понедельникова О.А. Эффект обратных волн и его применение в антенной технике // Сборник трудов десятой международной научно - практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» Санк -Петербург: Изд - во Политехнического университета, 2010г. Т1, с. 158160.

6. Antoniades M.A., Qureshi F., Eleftheriades G.V. Antenna Applications of Negative- Refractive-Index Transmission-Line Metamaterials // Proc. 2006 IEEE International Workshop on Antenna Technology: Small Antennas© Novel Metamaterials. New York. March 6-8. 2006. Р. 392-395.

7. Вендик И.Б., Вендик О.Г. Метаматериалы и их применение в технике сверхвысоких частот // Журнал технической физики. 2013, том 83, вып. 1, с. 3 - 28.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Стаценко Любовь Григорьевна — доктор физико-математических наук, профессор, [email protected],

Пуговкина Ольга Александровна — аспирант, магистр техники и технологии по направлению телекоммуникации, [email protected], Дальневосточный федеральный университет.

UDC 621.3.049.77

PARAMETRIC ANALYSIS OF THE SPLIT RING RESONATOR FOR RADIOLOCATION DESIGN

Statsenko Lyubov Grigor'evna, Far Eastern Federal University, [email protected], Russia, Department of Electronics and communications, head of Department, professor, PHD in physics and mathematics, Russia,

Pugovkina Olga Aleksandrovna. Far Eastern Federal University, [email protected], Department of Electronics and communications, post graduate student, Master's Degree in Telecommunications Engineering Technology, Russia.

The possibility to use the integral part of the metamaterial (split ring resonator) in a microwave components design for remote sensing is investigated. Resonant frequency and effective permeability of split ring resonator as a functions of the distance to the inner ring, the width of each ring, the gap size between the two rings are described. A method of selecting parameters of split ring resonator for constructing the resonance circuit depending on the requirements of the microwave device is shown.

Key words: split ring resonator, metamaterial, radiolocation, remote sensing.

REFERENCES

1. Veselago V.G. Jelektrodinamika veshhestv s odnovremenno otricatel'nymi znache-nijami ^ i s (Electrodynamics of substances with simultaneously negative values of ^ and s), UFN. 1967, Vol.92, No 3, pp. 517-526.

2. Pendry J.B. et al. Magnetism from conductors and enhanced nonlinear phenomena // IEEE Trans. Microw. Theory Tech., Nov. 1999, Vol. 47, No. 11, p. 2075-2081.

3. Smith D.R. et al. Composite Medium with Simultaneously Negative Permeability and Permittivity // Physical Review Letters, Vol. 84, N 18, 1 May 2000, p. 4184-4187.

4. Stacenko L.G., Ponedel'nikova O.A. Sravnenie svojstv dijelektrika i metamate-riala pri otrazhenii i prelomlenii voln na granice razdela sred (Comparison of properties of dielectric and metamaterial with reflection and refraction of waves at the interface) // Materialy III Vse-rossijskoj nauchno-tehnicheskoj konferencii «Tehnicheskie problemy osvoenija mirovogo okeana». Vladivostok: Izd-vo «Dal'nauka» DVO RAN, 2009, pp. 121 - 124.

5. Stacenko L.G., Ponedel'nikova O.A. Jeffekt obratnyh voln i egoprimenenie v antennoj tehnike // Sbornik trudov desjatoj mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj kon-ferencii «Issledo-vanie, razrabotka i primenenie vysokih tehnologij v promyshlennosti» (Effect of backward waves and its application in antenna engineering // proceedings of the tenth international scientific -practical conference "Research, development and application of high technologies in industry"), Sank-Peterburg, Izd - vo Politehnicheskogo universiteta, 2010, Vol. 1, pp. 158-160.

6. Antoniades M.A., Qureshi F., Eleftheriades G.V. Antenna Applications of Negative- Refractive-Index Transmission-Line Metamaterials (Antenna Applications of Negative - Refractive-Index Transmission-Line Metamaterials) // Proc. 2006 IEEE International Workshop on Antenna Technology: Small Antennas@ Novel Metamaterials, New York, March 6-8. 2006. pp. 392-395.

7. Vendik I.B., Vendik O.G. Metamaterialy i ih primenenie v tehnike sverhvyso-kih chas-tot (Metamaterials and their application in the technique of ultra-high frequencies), Zhurnal tehnicheskoj fiziki, 2013, tom 83, vyp. 1, pp. 3 - 28.

УДК 681.883

© П.П. Унру, Л.Г. Стаценко, А.Ю. Родионов, 2014

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ АДАПТИНОГО ОРТОГОНАЛЬНОГО ЧАСТОТНОГО МУЛЬТИПЛЕКСИРОВАНИЯ В ГИДРОАКУСТИЧЕСКИХ КАНАЛАХ СВЯЗИ ПРИ МОДУЛЯЦИИ ПЕРЕДАВАЕМОГО СИГНАЛА*

Рассмотрен вопрос проектирования гидроакустической системы связи на основе адаптивного ортогонально-частотного уплотнения (OFDM). Основным критерием при проектировании системы связи является повышение общей пропускной способности при сохранении среднего значения битовой вероятности ошибки (BER). Будет рассмотрена система обеспечения адаптивности при помощи изменения уровня модуляции при равномерном распределении мощности по поднесущим. Система предусматривает наличие канала обратной связи для передачи информации об импульсном ответе канала передачи и полученном алфавите модуляции. Эффективность применения адаптивной схемы для OFDM систем гидроакустической связи демонстрируется с применением методов компьютерного моделирования (Matlab Simulink).

Ключевые слова: гидроакустическая связь, ортогональное частотное мультиплексирование, адаптивная модуляция, подводный необитаемый аппарат, канал обратной связи.

Гидроакустический канал считается одним из самых тяжелых для передачи информационного сигнала вследствие низкой скорости распространения сигнала (ограничена скоростью звука в водной среде, обычно принимается равной 1 500 м/с), узкой полосы частот и случайного характера явления многолучевого распространения сигнала. Все это приводит к частотно-избирательному затуханию сигнала. Время задержки отраженного сигнала может превышать десятки миллисекунд. Однако импульсный ответ гидроакустического канала имеет разряженную структуру, то есть большая часть энергии сигнала распространяется по нескольким путям.

Ортогональное частотное уплотнение в последнее время рассматривается как многообещающая альтернатива одночас-

*Работа поддержана Министерством образования и науки РФ (Госзадание № 11-41)

тотным системам передачи информации по гидроакустическому каналу вследствие его большей устойчивости в каналах с большими задержками и частотной селективностью. Однако применение OFDM в гидроакустической связи сопряжено с некоторыми сложностями, в первую очередь из-за его чувствительности к частотному сдвигу, который растет при перемещении передатчика или приемника. В частности, это происходит из-за низкой скорости звука и того факта, что акустический сигнал занимает полосу пропускания ничтожно малую по сравнению с центральной частотой, а также вызванного движением Доппле-ровского эффекта.

Многолучевое распространение с изменяющимися во времени параметрами и узкая полоса пропускания ограничивают достижимую пропускную способность гидроакустического канала связи. В целях повышения спектральной эффективности предлагается использовать адаптивную схему модуляции. На сегодняшний день подобные решения широко используются в сфере обеспечения радиосвязи, в то время как разработка адаптивных схем для гидроакустических систем связи только начинается.

Эффективность адаптивных систем зависит от наличия информации о среде распространения на передающей стороне, полученной с помощью обратного канала связи. Так как скорость распространения акустического сигнала в водной среде довольно мала, то работа адаптивных систем должна опираться на способность предсказывать параметры канала передачи на один-два такта передачи информации вперед. В данной работе рассматривается адаптивная OFDM гидроакустическая система передачи информации и ее моделирование в среде MatLab Simulink со следующими особенностями:

1. Допплеровское смещение принято в размере 10-4, что соответствует колебаниям приемника/передатчика.

2. Разработана разряженная матрица импульсного ответа гидроакустического канала, которая предусматривает несколько путей распространения, на которые приходится большая часть энергии сигнала.

3. Адаптивная схема предусматривает изменение уровня модуляции сигнала на передающей стороне на основании данных передаваемых по каналу обратной связи с приемной стороны.

Модель адаптивной системы и канала передачи

OFDM система имеет K поднесущих, на каждой из которых и-ный блок информационной последовательности модулируются с помощью быстрого преобразования Фурье, и предусматривает модуляцию с помощью BPSK, QPSK, 8PSK и 16QAM основе двуразмерного сигнального созвездия Грэя.

Функциональная схема адаптивной системы приведена на рис. 1. Оптимальным решением вопроса частотно-селективных замираний является адаптивная подстройка уровня модуляции каждой поднесущей. После начала работы адаптивного алгоритма начинается два процесса: увеличение уровня модуляции под-несущих, при подходящих параметрах гидроакустического канал, и ее уменьшение при неблагоприятных условиях.

Предполагается, что обратный канал связи пригоден для передачи информации от приемника обратно к передатчику. Передаваемую информацию можно поделить на два типа: алфавит модуляции и уровень мощности для каждой из поднесущих (или оценку импульсного ответа канала передачи). Если канал изменяется медленно на отдельно взятых частотах, то уровень модуляции соседних поднесущих не меняется. В таком случае нет необходимости через канал обратной связи передавать информацию о каждой из поднесущих, таким образом, объем информации для передачи уменьшается. Также необходимо использовать двухуровневое помехоустойчивое кодирования для повышения вероятности успешной передачи информации.

Рис. 1. Функциональная схема системы обеспечения адаптивности 120

Компьютерное моделирование

Моделирование работы гидроакустической системы связи с адаптивным OFDM было проведено в среде MatLab Simulink (блоковая функциональная схема системы на рис. 2). Принятые параметры системы:

— общая полоса пропускания: 7.8 кГц;

— продолжительность импульса: 150 мс;

— количество поднесущих: 512;

— расстояние между двумя соседними поднесущими: 15,25 Гц. На рис. 3 представлена достижимая пропускная способность

гидроакустической системы связи с адаптивным OFDM в сравнении с неадаптивными системами.

Рис. 2. Схема для моделирования работы системы в Matlab Simulink

20 25 30 35 ДО 4S 50 55 60 65 70 75 80 Мощностъпередавэемого сигнала, дБ

Рис. 3. Пропускная способность систем с адаптивным и неадаптивным OFDM

Заключение

В данной работе были рассмотрены аспекты организации адаптивной OFDM модуляции в гидроакустическом канале связи. Для этого были рассмотрены существующие системы обеспечения гидроакустической связи и выработано решение о методе обеспечения адаптивности: путем изменения уровня модуляции. Также была составлена компьютерная модель системы для снятия необходимой зависимости, которая показала определенное превосходство рассматриваемой системы над неадаптивными системами. Таким образом, развитие интеллектуальных адаптивных систем гидроакустической связи может дать дополнительный импульс исследованию подводного пространства благодаря расширению возможностей систем беспроводной связи с подводными необитаемыми аппаратами.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Liu Z. Space-Time-Frequency Coded OFDM over Frequency-Selective Fading Channels / Z. Liu, Y. Xin, G.B. Giannakis// IEEE Trans. on Signal Processing. - 2002. - Vol. 50, № 10. - P. 2456-2476

2. Rugini L. BER of OFDM Systems Impaired by Carrier Frequency Offset in Multipath Fading Channels/ L. Rugini, P. Banelli// IEEE Trans. on Wireless Communication. - 2005. - Vol 4, № 5. - P.2279-2288

3. Li B. Multicarrier Communications over Underwater Acoustic Channels with Nonuniform Doppler Shifts / B. Li, S. Zhou, M. Stojanovic, L. Freitag.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Унру Петр Петрович — аспирант, [email protected],

Стаценко Любовь Григорьевна — доктор физико-математических наук, профессор, зав. кафедрой, [email protected],

Родионов Александр Юрьевич — кандидат технических наук, доцент, [email protected],

Дальневосточный федеральный университет.

UDC 681.883

IMPROVING OF THE SUBMARINE VEHICLES UNDERWATER COMMUNICATION SYSTEMS CHARACTERISTICS BY USING ADAPTIVE ORTHOGONAL FREQUENCY-DIVISION MULTIPLEXING

Unru P.P., PhD student, Department of Electronics and communication FEFU, [email protected], Russia,

Statsenko L.G., doctor of physico-mathematical Sciences, Professor, head. the Department of Electronics and communication FEFU, [email protected], Russia,

Rodionov A.Y., candidate of technical Sciences, associate Professor of the Department of Electronics and communication, DFWU, [email protected], Russia.

In this paper the issue of underwater communication system designing based on adaptive Orthogonal Frequency-Division Multiplexing is explored. The main criterion of designing is to improve channel capacity without sacrificing average Bit Error Rate. We consider system of the adaptiveness providing by the varying the modulation level with equal power distribution between subcarriers. The system involves feedback channel to provide information transfer about channel impulse response and received modulation alphabet. The effectiveness of the adaptive scheme using for the ODFM underwater communication systems is demonstrated with the computer-based simulation methods (Matlab Simulink).

Key words: underwater acoustic communication, orthogonal frequency-division multiplexing, adaptive modulation, submarine vehicle, feedback channel.

REFERENCES

1. Liu Z. Space-Time-Frequency Coded OFDM over Frequency-Selective Fading Channels / Z. Liu, Y. Xin, G.B. Giannakis, IEEE Trans. on Signal Processing, 2002, Vol. 50, No 10, pp. 2456-2476.

2. Rugini L. BER of OFDM Systems Impaired by Carrier Frequency Offset in Multipath Fading Channels/ L. Rugini, P. Banelli// IEEE Trans. on Wireless Communication, 2005, Vol 4, No 5, .2279-2288.

3. Lipp B. Multicarrier Communications over Underwater Acoustic Channels with Nonuniform Doppler Shifts / B. Li, S. Zhou, M. Stojanovic, L. Freitag.

УДК 538.911:530.182.2:548.12

© П. Л. Титов, С. А. Щеголева, 2014

ФРАКТАЛЬНОСТЬ ПРОЦЕДУРЫ РОСТА КВАЗИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО ПАРКЕТА ПЕНРОУЗА*

Рассмотрено построение паркета Пенроуза при помощи декагонов двух типов: звездчатого и дорзального. Построение соответствует модели морфогенетического роста и обладает признаками хаотичности. Также получены фрактальные характеристики как линеаризованная форма производной Радона-Никодима.

Ключевые слова: паркет Пенроуза, звездчатый декагон, дорзальный дека-гон, морфогенез, хаос, фрактал.

С момента открытия в 1984 г. группой Шехтмана сплава с дифракционной картиной, имеющей запрещенную в кристаллографии симметрию пятого порядка, прошло 30 лет. За это время появилось огромное число различных исследований, как теоретического плана, так и посвященных вопросам практического получения квазикрасталлических материалов. Тем не менее, окончательного и детального ответа на вопросы: что такое квазикристалл, как он упорядочен, при каких условиях появляется, как он формируется - все еще не получено. Квазикристаллы - интересный объект с точки зрения кристаллографии, а также практического применения, благодаря ряду электрических, механических и других свойств. Несмотря на достаточно узкий диапазон внешних условий, при которых возможно получение квазикристаллических материалов, известны примеры природных квазикристаллов. Для теоретического изучения структуры квазикристаллов обычно используются различные математические модели, отражающие либо расположение атомов, либо вводящие в рассмотрение квазиячейки, посредством стыковки которых и формируется покрытие в плоскости или пространстве.

В данной работе предлагается рассмотреть динамику процесса построения квазикристаллического покрытия на примере мозаики Пенроуза [1, 2], которая является моделью пентасиммет-ричного квазикристалла.

*Работа поддержана Министерством образования и науки РФ (Госзадание № 11-41)

а) /чЛ я) Ар

"О

Рис. 1. Три уровня синтеза Паркета Пенроуза (а, б, в, г), типы контактов на третьем уровне алфавита (д,е,ж) с выделенными дефектами (пересечениями)

Анализируя паркет Пенроуза, можно ввести три типа алфавитов, которые образуют иерархическую систему (рис. 1). Первый уровень составляет пара «золотых» треугольников Робинсона - это элементарный символьный уровень (рис. 1, а). Второй уровень составляет пара «золотых» ромбов — это бислоговый уровень алфавита (рис. 1, б). Третий, более высокий уровень алфавита — пара декагонов, звездчатый - 8 и дорзальный - Б. Этот уровень естественно считать фразеологическим, поскольку он представляет блок из десяти слогов (рис. 1, в, г).

Как отмечает Пенроуз [1, 2], задача разбиения или замощения плоскости Я2 парой «золотых» ромбов относится к нерекурсивной математике. Можно обратиться к работам [3, 4], которые достаточно подробно обсуждают проблему центрального дефекта при построении покрытия. Мы выражаем надежду на то, что если работать на фразеологическом, блочном уровне алфавита, то задача разбиения плоскости Я2 будет выглядеть проще и не приведет к вышеупомянутым проблемам. При этом допускается нетривиальная алгебра соединения 8- и Б-декагонов, в которой могут быть некоторые пересечения, или дефекты (рис. 1, д-ж).

Процедурой построения декагонального паркета Пенроуза является так называемый морфогенетический синтез на ,Л}

алфавите. Наша трактовка понятия морфогенеза достаточно сильно коррелирует с понятиями и формализмом монографии [5]. В основе морфогенеза всегда лежит некоторый стартовый ген, в данном случае 8-декагон. Механизм редупликации выглядит как система волновых фронтов, состоящая из символов ,Л} алфавита (рис. 2).

Рис. 2. Синтезированный паркет Пенро-уза с выделенными морфогенетическими фронтами и угловыми секторами

На рис. 3 показано радиальное поведение отношения чисел Б- и 2-декагонов в зависимости от уровня иерархии (а), а также отношения [п(В) - п(I)]/[п(В) + п(I)] (б). Визуальный анализ рис.3 указывает на квазистохастическую периодичность.

4.5,

4.0

3.5

N 3.0

2 5 г а 2.о

с 1.5

1.0

0.5

° °0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 "'"6 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

уровень иерархии уровень иерархии

Рис. 3. Отношения чисел н(Б) и н@) в зависимости от номера фронта морфогенеза

Видна значительная вариабельность, которая, по нашему мнению, связана с высоким уровнем хаотичности, порождённой декагональной геометрией сопряжения. Последнему утверждению есть некоторое обоснование. Если бы первичный алфавит использовался случайным способом, согласно его вероятностной структуре, то пришли к существенно ненулевой вероятности р(Ж). Но это запрещено логикой формирования декаго-нального паркета (рис.1). С другой стороны, есть значительная вариабельность оценок периода нулей. Тогда остается признать существенно хаотический способ построения паркета Пенроуза [6, 7].

На каждом морфогенетическом фронте (исключая первый), наблюдаются тангенциальные «фразы» вида }, которые

можно назвать мотивами. Повторяющийся, самоподобный харак-

•в (Р))■

тер мотивов дает возможность использовать теорию перечисления [8] (при этом перечисляющие структуры имеют две степени свободы - длину «фраз» и число повторений каждой «фразы» на данном уровне). А в дальнейшем перейти от перечисляющих структур к распределениям и сверткам энтропийного типа от них [9-14].

Согласно развиваемому методу [9-14], получим оценку фрактальной размерности паркета Пенроуза, отражающего процедуру морфогенетического синтеза. Вначале необходимо получить зависимость энтропий в форме функций Радона —

Н |5 (к . В свою очередь, функция Радона допускает существование производной в терминах Радона-Никодима [15], линеаризованная форма которой, по нашему мнению, и есть оценка фрактальной размерности:

днШ=нМуф.=)

дБ (к) 5, (к)

В знаменателе стоит энтропия средней длины «фраз» 5, (к ),

в числителе Нi (^(ук )) — энтропия повторения «фраз». Отношение этих энтропий - это энтропийная плотность разнообразия. Фрактальная зависимость на рис.4 осцилляторно-волновая,

двойное усреднение дает (ё^ (Р= 1,33...

Интересный вывод состоит в том, что линейный морфогене-

тический фронт вовсе не является линейным. Несмотря на его монолинейную конструкцию тьюринговского типа, он обладает фрактальной размерностью, превышающей его топологическую размерность, равную единице.

Для дальнейшего обсу-Рис. 4. Значения фрактальных размер- ждения фрактальности нро-ностей морфогенетических фронтов ведем исследование свойств

хаотического аттрактора, если таковой существует. Исходя из концепции динамического хаоса [6, 7, 16], необходимо построить соответствующее фазовое пространство и провести анализ фазовой траектории с целью установления типа аттрактора. Далее оценивается фрактальная размерность аттрактивного множества [6, 7, 16]. По нашему мнению, здесь следует применить подход функции Радона [15], и образовать энтропии от соответствующих степеней свободы перечисляющих структур [8]. Данные энтропии и будут обобщенными координатами.

Данное аттрактивное множество (рис.5) имеет два ядра. Причем верхнее правое ядро соответствует нестационарному режиму в начальной стадии морфогенеза. Затем с увеличением этажности иерархии появляется компактный левый нижний кластер, как и положено аттрактору. Обоим подмножествам соответствует одно отношение Н^ (t (ук ))/« (к ) , которое указывает на

некоторый теоретико-информационный инвариант.

Данный сложный аттрактор можно отнести к категории «странных». Аттрактивное множество обладает некоторой тонкой структурой, состоящей из трех подкластеров. Любопытным является существование точки барицентра с координатами (1п 2; 0,8).

2.5

| 0.0^-.-, ,-,-т-.-,

& 0.0 0.5 1.0 1,5 2.0

Энтропия средней ветвистости кустов

Рис. 5. Фазовая траектория процесса в осях [ Н\ (t (у к )) ;(к ) ].

уровень иерархии

Рис. 6. Расстояния от точек Радоновой траектории до барицентра аттрактора в евклидовой топологии

Понятие барицентра существует не для всех аттракторов. При диагностике типа аттрактивности задача стоит в установлении характера стремления фазовой траектории в окрестности барицентра (рис. 6).

На рис.6 четко видны три этапа поведения фазовой траектории относительно барицентра. Ветвь номеров «26» является восходящей в целом, имеет логарифмическую среднюю тенденцию.

На этапе «6-8» наблюдается резкое спонтанное снижение графика зависимости, что говорит о том, что на этих значениях фронтов морфогенеза наблюдается сильное флуктуационное притяжение к барицентру. Именно этот участок и этот эффект мы назвали «фазовым переходом». Поясним основания, которые имеет этот термин.

Если проанализировать рис.2, то ранние этапы морфогенеза обладают пентагональной топологией с 1 по 5 уровни включительно, а далее скачком, спонтанно меняется тип симметрии с 5 на 10. Нетрудно установить правила перехода:

а) Каждая вершина пентагона отображается в новое ребро декагона;

б) Каждое ребро пентагона индуцирует параллельное ребро декагональной симметрии.

Указанные признаки позволяют сделать вывод, что мы имеем дело со спонтанным нарушением симметрии 5 ^ 10. Это в чистом виде переход симметрийного типа в смысле Ландау.

Третий этап «9 ^ 19 ^ <х>» соответствует осцилляторно-волновому поведению траектории Радона в фазовом пространстве. Данный этап, соответствующий плотному кластеру (рис.5), характеризуется фокусным типом аттрактора. Однако, осцилляции «9-19» уровней не имеют тенденции к затуханию, и такая особенность может иметь цикловый характер.

Тогда данное осцилляторно-волновое поведение эквивалентно автоколебательному, автоволновому процессу, к которому по фокусному сценарию стремятся сильные осцилляции ранних этапов. Фактически, устанавливается авторежим, ритм. Именно в этом режиме и функционирует морфогенез.

В обычном координатном пространстве морфогенетические фронты распространяются от затравочного гена к бесконечности. С «аттрактивных» позиций распространение от центра к периферии происходит потому, что бесконечный горизонт как раз и является аттрактором, к которому стремятся все морфогенетиче-ские фронты. С точки зрения статистической термодинамики, морфогенез, несмотря на квазиволновой, также имеет специфические черты процессов тепловой релаксации, как бы это ни казалось неожиданным.

Выводы

Выполнен синтез декагонального паркета Пенроуза (на третьем уровне алфавита), который, как выяснилось, имеет дробную размерность со значением фрактальности ~1,3. По нашему мнению, это является необходимым условием для существования процедуры синтеза паркета.

Фрактальность паркета Пенроуза связана со значением фрактальной размерности хаотического аттрактора, который описывает процедуру морфогенеза в фазовой плоскости в координатах (Нi (t(ук)) ;« (к )). Таким образом, несмотря на кажущуюся линейность морфогенетических фронтов, они на самом деле является «сверхлинейными».

Это обстоятельство подтверждает структура хаотического аттрактора, состоящего из трех этапов. Первый этап соответствует нестационарному этапу процесса морфогенеза. На втором этапе имеют место сильные флуктуации, указывающие на изменение симметрии фронтов. На третьем этапе система переходит в установившийся режим, и на фазовой плоскости появляется циклический аттрактор, соответствующий авторежиму.

Таким образом, динамика развития аттрактора одновременно содержит термодинамический, флуктуационный и автоволновой режимы морфогенетической эволюции. А процедура синтеза

паркета Пенроуза имеет хаотическую природу, с соответствующей фрактальной характеристикой.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Penrose R., Bull. Inst. Math. Applic. 10, 266 (1974).

2. Penrose R. The Emperor's New Mind (Oxford University Press, Oxford, 1989).

3. Onoda G. Y., Steinhardt P. J., DiVincenzo D. P. and J.E.S. Socolar, Phys. Rev. Lett. 60, 2653 (1988).

4. JeongH.-C, Phys. Rev. Lett. 98, 135501 (2007).

5. Ebeling W., Engel A., Feistel R. Physik der Evolutionsprozesse (Akademie-Verlag, Berlin, 1990).

6. Zaslavsky G. M., Sagdeev R. Z., Usikov D. A., Uspekhi Fizicheskikh Nauk 156, 193 (1988).

7. Akhromeeva T. S., Kurdyumov S. P., Malinetskiy G. G., A. A. Samarskiy Nonstationary Structures and Diffusional Chaos (Nauka, Moscow, 1992) (in Russian).

8. Harari F. and Palmer E. M. Graphical Enumeration (Academic Press, New York, 1973).

9. Yudin V. V., Pisarenko T. A., and Lyubchenko E. A. Informodynam-ics of Network Structures (Far-East Federal University, Vladivostok, 2003) (in Russian).

10. Yudin V. V., Titov P. L., Mikhalyuk A. N. Bulletin of the RAS 73, 1269 (2009).

11. Yudin V. V., Titov P. L. , Mikhalyuk A. N. Theoretical and Mathematical Physics 164, 905 (2010).

12. Mihalyuk A., Titov P., Yudin V. Physica A 389, 4127 (2010).

13. Yudin V. V. andKarygina Yu. A. Crystallogr. Rep. 46, 922 (2001).

14. Yudin V. V., Pisarenko T. A., Lyubchenko E. A., Chudnova O. A., and Karygina Yu. A. Crystallogr. Rep. 47, 189 (2002).

15. Edwards R. E. Functional Analysis. Theory and Applications (Holt, Rinehart and Winston, New York, 1965).

16. Crownover R. M. Introduction to Fractals and Chaos (Jones and Bartlett Publishers, Boston, 1995).

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Титов Павел Леонидович — кандидат физико-математических наук, [email protected],

Щеголева Светлана Анатольевна — кандидат физико-математических наук, доцент, [email protected], Дальневосточный федеральный университет.

UDC 538.911:530.182.2:548.12

FRACTALITY OF QUASICRYSTALLINE PENROSE TILING CONSTRUCTION PROCEDURE

Titov Pavel Leonidovich, candidate of physico-mathematical Sciences, [email protected] far Eastern Federal University, Russia,

Schegoleva SvetlanaAnatol'evna, candidate of physico-mathematical Sciences, associate Professor, [email protected] far Eastern Federal University, Russia.

The synthesis of decagonal Penrose tiling by a pair of decagons: starlike and dorsal is considered. The synthesis procedure is just chaotic and realized according to morphogenetic growth model. Also the fractal characteristics are obtained as a linearized form of Radon-Nicodym derivative.

Key words: penrose tiling, starlike decagon, dorsal decagon, morphogenesis, chaos, fractal.

REFERENCES

1. Penrose R., Bull. Inst. Math, Applic, 10, 266 (1974).

2. Penrose R. The Emperor's New Mind (Oxford University Press, Oxford, 1989).

3. Onoda G. Y., Steinhardt P. J., DiVincenzo D. P. and J.E.S. Socolar, Phys. Rev. Lett. 60, 2653 (1988).

4. JeongH.-C., Phys. Rev. Lett. 98, 135501 (2007).

5. Ebeling W., Engel A., Feistel R. Physik der Evolutionsprozesse (Akademie-Verlag, Berlin, 1990).

6. Zaslavsky G. M., Sagdeev R. Z., Usikov D. A., Uspekhi Fizicheskikh Nauk 156, 193 (1988).

7. Akhromeeva T. S., Kurdyumov S. P., Malinetskiy G. G., A. A. Samarskiy Nonstation-ary Structures and Diffusional Chaos (Nauka, Moscow, 1992) (in Russian).

8. Harari F. and Palmer E. M. Graphical Enumeration (Academic Press, New York,

1973).

9. Yudin V.V., Pisarenko T.A., and Lyubchenko E.A. Informodynamics of Network Structures (Far-East Federal University, Vladivostok, 2003) (in Russian).

10. Yudin V.V., TitovP.L., MikhalyukA.N. Bulletin of the RAS 73, 1269 (2009).

11. Yudin V.V., Titov P.L., Mikhalyuk A.N. Theoretical and Mathematical Physics 164, 905 (2010).

12. Mihalyuk A., Titov P., Yudin V. Physica A 389, 4127 (2010).

13. Yudin V. V. andKarygina Yu. A. Crystallogr. Rep. 46, 922 (2001).

14. Yudin V. V., Pisarenko T. A., Lyubchenko E. A., Chudnova O. A., and Karygina Yu. A. Crystallogr. Rep. 47, 189 (2002).

15. Edwards R. E. Functional Analysis. Theory and Applications (Holt, Rinehart and Winston, New York, 1965).

16. Crownover R. M. Introduction to Fractals and Chaos (Jones and Bartlett Publishers, Boston, 1995).

УДК 534.222.1/534.6

© А.В. Буренин, Ю.Н. Моргунов, 2014

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ СЛОЖНЫХ СИГНАЛОВ В СХЕМЕ ВРЕМЕННОГО ОБРАЩЕНИЕ ВОЛНЫ*

Представлен анализ данных, полученных в экспериментах 2011 г и 2012г. Цель исследования заключалась в получении натурных данных о возможности применения продолжительных сложных сигналов в схеме временное обращение волны, а также, и возможности варьировать и идентифицировать параметры переизлучаемых сложных сигналов.

Ключевые слова: временное обращение волны, фазоманипулированный сложный сигнал, М-последовательность.

Традиционно, в отечественных и зарубежных экспериментальных работах используются короткие сигналы (длительностью порядка нескольких десятков мс) с огибующей в виде гауссов-ского импульса или линейной частотной модуляцией [1,2]. В данной работе исследовались, как параметры д — функции [3], так и возможность варьировать и идентифицировать эти параметры, используя в схеме ВОВ продолжительные фазоманипули-рованные М-последовательностью сигналы (длительностью порядка сотен мс).

Сценарии экспериментов 2011г. и 2012г. были, практически, идентичны за исключением того, что в 2012 г. несущая частота зондирующего сигнала была =6 кГц, а не Fo=2 кГц, как в 2011 г., и в 2012 г. были добавлены: дополнительный алгоритм излучения и одна модификация схемы ВОВ. Трасса распространения акустических сигналов была организована в мелководной бухте Витязь. Работа была выполнена на базе аппаратно-программного мобильного комплекса [4, 5]. Приемоизлучающие системы (трансиверы) TRS и SR располагались в 1 метре от дна с общей глубиной места 10 м, на расстояние 1123 м друг от друга. Излучение сигналов осуществлялось в течение суток, с периодом повторе-

* Работа выполнена при финансовой поддержке молодежных грантов ДВО РАН 15-П-1-047 и 15-П-1-045.

ния T =30 с. В качестве зондирующего сигнала 5 (t) использовался сложный фазоманипулированный сигнал на основе М-последовательности, длиной последовательности N =255 символов и с длительностью одного символа равной С =4 периодам несущей частоты. Для того чтобы устранить наложение излученного и принимаемого сигнала в записи, моменты излучения трансиверов были разнесены во времени на 5 секунд (ТЯ8 излучала в 0-ю и 30-ю секунду, а в 5-ю и 35-ю секунду, соответственно). Так как сигнал излучался периодически с периодом Т , то моменты излучения можно естественно пронумеровать относительно этого периода, а именно 7 =0,1,2,3,... и каждую полученную в 7 -ый момент времени функцию отклика канала (ФОК) обозначать г () .

Алгоритм излучения 2011 г. (обозначим его «А») заключался в том, что в каждый 7 -й момент времени ТЯ8 использовал ФОК соответствующий этому моменту г ^) . В 2012 г. вместе с алгоритмом «А» использовался следующий алгоритм «Б», в котором в любой 7 -ый момент времени система использовала только ФОК, полученную в 7 =0 момент времени г0 (t) .

В данной работе была реализована как классическая схема ВОВ, так и модифицированная. Классическая схема (обозначим её римской цифрой «I») состоит из нескольких этапов. Система излучает зондирующий сигнал 5 (t) , далее, система регистрирует сигнал г (t), обращает его во времени г (^) и переизлучает. На последнем этапе, принимает переизлученный сигнал. Математическое описание последовательности этапов представляются следующим образом:

1. 5 (г)

2. ТЯЗ: г^) = 5к(^ ; г(ч)

5'( t) = г (^) ® к (t) = 5 (^) ® к (^) ® к (t) = 5 (-t) ® ц (t), здесь г (t) = 5 (t)® к (t) сигнал, прошедший через среду с импульсной характеристикой к ^); ® — оператор свертки; ц ^) = к (-t)® к ^) - ц -функция волновода или фактор, характе-

ризующий основную идею метода обращения времени. По форме во временной области д -функция должна представлять собой значительный пик с небольшими боковыми лепестками, расположенными симметрично относительно пика.

Так как в экспериментах применялись сложные сигналы, то для оценки д -функции волновода полученный сигнал 5'(t) «сворачивался» с обращенным во времени зондирующим излученным сигналом 5 (—) . Обозначим gexp (t) = 5'(t) ® 5 (-t) оценкой д -функции.

Модификация (обозначим её «II») заключалось в дополнительном излучении системой TRS ортогонального (сдвинутого по фазе на 900) к г (^) сигнала горт (—). То есть на 2-м этапе излучался пакет сигналов, который состоял из г (-t), секундной паузы и горт (^) . Данная модификация позволяет исследовать возможность варьирования фазы обращенной ФОК г (t) и дальнейшей регистрации и идентификации этого изменения.

Обработка и анализ натурных данных заключался в следующем. Оценивались отношение ширины пика д ^) к ширине пика автокорреляционной функции зондирующего сигнала равной С/ (обозначим этот параметр «ширина»), и отношение значения амплитуды пика д (t) к значению максимуму функции отклика канала («высота»). Разность фаз рассчитывалась, используя следующую формулу Лр = р(max[gexp (t)]) - р(max[д^ ()]) .

Результаты работы 2011 г. (рис. 1) по алгоритму «А» и схеме «I» показали, что: 1) «ширина» изменяется в пределах от 1 до 2, а «высота» от 1 до 4; 2) кривые «ширина» и «высота» изменяются плавно, без значительных флуктуация; 3) если «ширина» приближается к значению 2 и превышает его, то «высота» уменьшается.

Типичная ФОК и д ^) эксперимента 2012 г. представлены

на рисунке 2. Реализация исследования по алгоритму «Б» и схеме «I» показала, что: 1) кривая «ширина» сильно флуктуирует (среднее значение 4.5, амплитуда флуктуаций 2.5); 2) кривая «высота» изменяются плавно, в диапазоне от 0.75 до 2; 3) учитывая пункты 1) и 2), заключаем, что энергия сигнала может фокусироваться достаточно долгое время (более суток).

Рис. 1. Натурные данные 2011 г.,. отношение ширины пика Цехрф к ширине пика автокорреляционной функции зондирующего сигнала равной С/Го («ширина»), и отношение значения амплитуды пика цхр(1) к значению максимуму функции отклика канала («высота»)

Рис. 2. Натурные данные 2012 г., функция отклика волновода (справа), соответствующая q-функция волновода

Реализация исследования по алгоритму «А» и схемам «I» и «II» показала, что: 1) кривые «ширина» и «высота» изменяются плавно без значительных флуктуация, подобно результатам 2011 г.; 2) отдельные участки кривой разности фаз (рис. 3) являются стабильными,

_ • • V. V mJt

*

; J «V ■ « 1*. • V4 '«•.* ч • .

1

Рис. 3. Натурные данные 2012 г., разность фаз между qexp (t) и q^^ (t)

практически постоянными; 3) скачки кривой разность фаз между участками стабильности составляют 3600 (2п); 4) присутствуют не скачкообразные переходы от участков стабильности.

Суммируя изложенное выше можно заключить, что измерение q-функции волновода с помощью продолжительных во времени сложных сигналов является возможным. Не симметричность пика и боковых лепестков qexp (t) , можно объяснить тем,

что за время пробега сигнала в обе стороны среда успевает измениться и функция отклика волновода тоже (в экспериментах это время равнялось ~10 с). Разность фаз может быть выделена, но в силу того, что qexp (t) и q^^ (t) разнесены во времени определение точного значения равного 900 требует учета набега фазы за временной интервал равный длительности паузы между сигналами.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Kuperman W. A., Hodgkiss W. S., Song H. C., Akal T., Ferla C., and Jackson D. R. ''Phase conjugation in the ocean: Experimental demonstration of an acoustic time reversal mirror,'' J. Acoust. Soc. Am., 1998, 103, p. 25-40.

2. Зверев В.А., Коротин П.И., Стромков А.А. Выделение мод в мелком море путем их обращения // Акустический журнал. 2009. Т. 55. № 6. С. 754-761.

3. Yang T. C. «Temporal resolution of time-reversal and passive-phase conjugation for underwater acoustic communications,» IEEE J Oceanic Eng., 2003, 28, 229-245.

4. Strobykin D.S., Tikhomirova E.A. Remote Acoustic Monitoring of Currents in East/Japan Sea Shelf Zone // Proceedings of the Eleventh (2014) ISOPE Pacific-Asia Offshore Mechanics Symposium (PAC0MS-2014), Shanghai, China, October 12-16, 2014, p. 373-376. (ISBN 978-1 880653 90-6: ISSN 1946-004X).

5. Моргунов Ю.Н., Безответных В.В., Голов А.А., Лебедев М.С., Kiseon Kim, Ju-Sam Park Экспериментальная апробация аппаратно-программного комплекса для дистанционного измерения скорости течений и температур в мелководных акваториях // Акустический журнал. 2014. Т. 60. № 6. С. 623-632.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Моргунов Юрий Николаевич — доктор технических наук, старший научный сотрудник, [email protected],

Буренин Александр Викторович — кандидат физико-математических наук, научный сотрудник, [email protected],

Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева Дальневосточное отделение Российской академии наук.

UDC 534.222.1/534.6

EXPERIMENTAL RESEARCH THE POSSIBILITY OF USING COMPLEX SIGNALS IN THE CIRCUIT OF THE TEMPORARY TREATMENT OF WAVES

Morgunov Yuri Nikolaevich, PhD, Dr (Tech. Sci.), head of department; V.I. Il'ichev Pacific Oceanological Institute Far Eastern Branch of Russian Academy of Science (POI FEB RAS), Russia, [email protected],

Burenin Alexandr Victorovich, PhD, senior officer; V.I. Il'ichev Pacific Oceanological Institute Far Eastern Branch of Russian Academy of Science (POI FEB RAS), Russia, [email protected].

The analysis of data obtained in experiments 2011 and 2012. The purpose of the study was to obtain field data on the possibility of using long complex signals in the scheme temporarily turn waves as well, and the possibility to vary and to identify parameters pereizluchennykh complex signals.

Keywords: temporary conversion waves, photomanipulating complex signal, an M-sequence.

REFERENCES

1. W.A. Kuperman, W.S. Hodgkiss, H.C. Song, T. Akal, C. Ferla, and D.R. Jackson, ''Phase conjugation in the ocean: Experimental demonstration of an acoustic time reversal mirror,'' J. Acoust. Soc. Am., 1998, 103, pp. 25-40.

2. Zverev V.A., Korotin P.I., Stromkov A.A. Vydelenie mod v melkom more putem ih obrashhenija (Selection modes in shallow sea by their conversion), Akusticheskij zhurnal, 2009, Vol. 55, No 6, pp. 754-761.

3. T.C. Yang, «Temporal resolution of time-reversal and passive-phase conjugation for underwater acoustic communications,» IEEE J Oceanic Eng., 2003, 28, 229-245.

4. Strobykin D.S., Tikhomirova E.A. Remote Acoustic Monitoring of Currents in East/Japan Sea Shelf Zone // Proceedings of the Eleventh (2014) ISOPE Pacific-Asia Offshore Mechanics Symposium (PACOMS-2014), Shanghai, China, October 12-16, 2014, p. 373-376. (ISBN 978-1 880653 90-6: ISSN 1946-004X).

5. Morgunov Ju.N., Bezotvetnyh V.V., Golov A.A., Lebedev M.S., Kiseon Kim, Ju-Sam Park Jeksperimental'naja aprobacija apparatno-programmnogo kompleksa dlja distancionnogo izmerenija skorosti techenij i temperatur v melkovodnyh akvatorijah (Park Experimental testing of hardware and software for remote measurement of flow rates and temperatures in shallow water), Akusticheskij zhurnal, 2014, Vol. 60, No 6, pp. 623-632.

УДК 538.9:530.1:519.17:519.24 © П.Л. Титов, С.А. Щеголева, 2014

ЭНТРОПИЙНАЯ ОЦЕНКА СТЕПЕНИ ПОРЯДКА-БЕСПОРЯДКА КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ И КВАЗИКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ СТРУКТУР В ДРЕВЕСНО-ГРАФОВОМ ПРЕДСТАВЛЕНИИ*

Решена задача идентификации характера порядка-беспорядка различных решеточных систем. Рассматривается перколяционная задача в терминах энтропийного функционала на древесных графах Кэли. Дальний порядок упомянутых систем характеризуется гиперболическими перколяционными энтропийными зависимостями.

Ключевые слова: древесный граф Кэли, перколяция, энтропия, степень порядка-беспорядка, дальнодействие.

В практических задачах изучения структуры твердых тел, а также для теоретической физики твердого тела одним из самых важных является вопрос оценки степени порядка-беспорядка. В связи с данной проблематикой предложено большое число различных показателей упорядоченности для ближнего, среднего, дальнего масштабов рассмотрения. Стоит вспомнить как классические монографии, так и работы не столь давние [1, 2]. Также нельзя оставить в стороне исследования, связанные с применением разбиения Вороного-Делоне [3] к некристаллическим системам. К ним можно отнести, например, кварцевые и металлические стекла, а также квазикристаллы [4, 5]. Традиционные методы, применяемые для анализа упорядочения - это статистический, ансамблевый подход, а также корреляционно-спектральные методы [6].

В основе статистического подхода всегда лежит концепция ансамбля отдельностей, структурных единиц. В работах [7-9] был предложен принципиально иной формализм, который не отталкивается от ансамблевого подхода, сколь бы он ни был естест-

*Работа поддержана Министерством образования и науки РФ (Госзадание № 11-41)

венным. Сеточные, решеточные системы обладают естественной целостностью и применение ансамблевого подхода приводит в данном случае к потере структурной информации. По нашему мнению, Такие системы необходимо отображать в координационные древесные графы Кэли (ДГК) [10-11]. Подобный способ представления позволяет взглянуть по-иному на проблематику дальнего порядка в структурах общего типа и подойти к некоторой универсальной трактовке степени организации в различных разупорядоченных средах.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИНФОРМОДИНАМИЧЕСКОГО МЕТОДА АНАЛИЗА СТРУКТУРЫ СЛОЖНЫХ СИСТЕМ

В работах [7-11] был предложен так называемый информо-динамический метод характеризации сложных структур. В качестве таковых, например, можно указать мезомасштабные системы естественных неоднородностей, идентифицируемые в кварцевых, металлических стеклах и аморфных пленках. Появление подобных систем дефектов является следствием существенной неравновесности условий появления таких объектов. Информоди-намический метод отталкивается от построения координационных ДГК для решеточных или сеточных систем вышеуказанных планарных сред [7, 9, 12].

В общем случае ДГК обладают случайной ветвистостью кустов на уровнях древесной иерархии, что позволяет ввести соответствующие вероятностные меры, а следовательно, сделать ДГК предметом рассмотрения теории вероятностей. Если рассматривать приближение входящих ветвей, то наблюдается внутриуровневая межкустовая локальная пересекаемость. Это, в свою очередь, обеспечивает наличие непрерывных «звездчатых» фронтов, которые дают возможность построить коаксиально вложенную систему скорлуп Мандельброта.

На квазистохастических ДГК можно ввести перколяционные термины и рассматривать преобразования в направлениях «центр^периферия». По своей природе координационные ДГК являются эстафетными деревьями. Это равносильно Марковской цепной логике в радиальном направлении. С точки зрения геометрической, ДГК наделяются ультраметрикой.

ДГК в целом, отображающие сетевые структуры, с позиции теории сложных систем [13, 14] можно считать симплициальны-

ми комплексами. Последнее означает, что сами решеточные, сеточные системы и ДГК, их отображающие, необходимо изучать методами декомпозиции, причем именно симплициального типа [13]. Понятие симплициальности подразумевает некоторое весьма общее свойство ДГК в смысле топологического подобия.

Симплициальность имеет довольно тесную аналогию с общим принципом скейлинга, адаптированного на координационные ДГК. Это обстоятельство, в свою очередь, повлечет конструктивную параллель фрактальных понятий.

В настоящей статье сосредоточимся на выяснении характера структурного упорядочения решеточных, сеточных систем. Обычно в статистических, теоретико-вероятностных методиках занимаются идентификацией эмпирических статистик - распределений неоднородности, отдельностей по размерам. Функции распределений, например, зерен структуры строятся на уровне распределения зерен по площадям. Этот простой подход можно обобщить, используя спектральные меры и корреляционный подход [6]. Вышеизложенная методология делает центральным моментом выделенное подмножество отдельностей, неоднородностей, статистика которых обычно восстанавливается из эмпирических распределений, пользуясь известным методом проверки статистических гипотез. Предлагаемое в работе древесно-графовое представление сеточных структур базируется на так называемом [д-, р-] алфавите, где д-компонента ответственна за типы плиток, ячеек и т.д., а р- указывает на тип непосредственной координации. В древесных графах Кэли на первый план выходит реберная р-компонента, а именно, координация. Именно структура координаций ДГК наполняет содержанием перколяцион-ную задачу в неклассическом понимании.

Реализовать дальнейшее продвижение в этом направлении можно, используя теорию перечисления графов [15]. Построив на ДГК соответствующие перечисляющие структуры, в частности, вероятностные перечисляющие полиномы (ВПП), на них можно задать соответствующие энтропийные, дивергентные функционалы. Можно рассматривать протекание уже энтропийных функционалов на ДГК, через которые идентифицируется тип, характер дальнего порядка в решеточных, сеточных системах.

Кроме рассмотрения задачи перколяции энтропии, можно ввести двухточечные меры, например, информационную дивер-

генцию Бонгарда [16], структура которой более сложна, чем дивергенции Кульбака [17]. Как для всякой информационной меры, в отличие от энтропийной, здесь необходимо задание двух систем отсчета. Тогда дивергенция Бонгарда, фактически, становится информационным расстоянием, а метрические свойства следует при этом проверять специально. В случае Вайдовских оценок дивергенция Бонгарда запишется следующим образом:

в™ [и (** ); ^+1 (хк )] = В [), (хк ); ^ (хк )] =

= 2(хк)[1 - ихк)] + ихк)[1 - ихк)]}, (1)

2 к

где - ВПП на 7-й и (7+1)-й иерархиях.

По своей логике дивергенция Бонгарда является средневзвешенной мультипликативной комбинацией вероятностей 1-го уровня на дополнение (7±1)-го уровня. Перколяция информоди-намических функционалов будет также иметь прямое отношение к диагностике дальнего порядка-беспорядка решеточных, сеточных систем и их древесных графов. Тем самым, наш метод диагностики структуры сложных решеточных систем и паркетов будет базироваться на энтропийных, дивергентных функционалах. В настоящей работе этот инструментарий как раз будет систематически применяться к исследованию классических решеток и квазикристаллической мозаики Дюно-Каца.

ОЦЕНКА ДАЛЬНЕГО ПОРЯДКА НА КВАРТЕТНОЙ КРИСТАЛЛОГРАФИЧЕСКОЙ РЕШЕТКЕ

Информодинамический метод применяется к квартетной кристаллографической решетке (рис. 1, а), которая удовлетворяет трансляциям Браве.

На рис. 1 б показан древесный координационный граф Кэли квартетной решетки в алфавите [Ц х 2р].

Из рис. 1 б нетрудно увидеть, что древесный граф наследует симметрию квартетной решетки. ДГК исследуется при помощи симплициальной декомпозиции, которая в данном случае реализуется в кустовом представлении. Для получения верхних оценок не будем различать типы вершин и связей. Симплициальная декомпозиция позволяет привлечь теорию перечисления графов, которая приводит к аналитической форме записи 1111, ВПП.

Рис. 1. Квартетная решетка (а) и ее ДГК (б) в алфавите [1q х 2р]

Данные структуры, а также энтропия Вайда и дивергенция Бонгарда в аналитическом виде приведены в табл. 1.

Таблица 1

Аналитические выражения для перечисляющих структур и информодинамических функционалов на ДГК квартетной решетки

Прямой поток | Обратный поток

Перечисляющие полиномы

хк ) = 4 х5 + 4 (21 - 3) г? (хк) = 4 (2; - 3) х3 + 8х2 + 4х1

Вероятностные перечисляющие полиномы

^(л-к) 1 х5 1 2( - 3 г3 Цгк) 2; - 5 3 . 1 2 . 1 1

г ' 2 ((-1) ' 2 ((-1) '' г ' 2(; -1) ' (-Г ' 2((-1)""

Энтропия Вайда, дивергенция Бонгарда

"•■(•)=^г "'«)> - 5)

Из рассмотрения табл. 1 видно, как отражается квартетная симметрия решетки в поведении коэффициентов ПП. Переходя к ВПП, замечаем, что в прямом потоке исчезают кусты пятой степени ветвистости, а в обратном - первой и второй. Инвариантными остаются только кусты с троичной ветвистостью. Тем самым, квартетное ДГК близко к тетрадному дереву Бёте (рис. 2), только в последнем отсутствует межкустовая локальная пересекаемость.

Рис. 2. Тетрадное дерево Бёте (коэффициент ветвления к=3)

Из табл. 1 также видно, что энтропийный функционал и мера Бонгарда в асимптотике стремятся к нулю. Для них была решена задача проверки гипотез по отношению к усеченному распределению Парето.

В целом перколяционные энтропийные зависимости на ДК квартетной решетки относятся к гиперболическому классу с критическими индексами у = 1,0; у = 0,7 . Аналогичными характеристиками обладает и мера Бонгарда с критическими индексами р^ = 1; = 0,7 . Совпадение этих критических индексов указывает на высокое согласование квартетной решетки в перколяционном транспорте, который описывается как в терминах энтропии состояний, так и через двухточечные информационные меры типа дивергенции Бонгар-да. По супремальной оценке такой тип дальнодействия квартетной кристаллографической решетки можно назвать «гравитационным» или «кулоновским».

ОЦЕНКА ДАЛЬНЕГО ПОРЯДКА НА СОТОВОЙ РЕШЕТКЕ

Решетка сотового типа показана на рис. 3, а. Она сформирована по некоторому морфогенетическому принципу от стартового гекса-гона. Хорошо видна волновая природа этого морфогенеза в случае абсолютно твердых плиток замощения. Волноподобная генерация сотовой решетки адекватна трем типам отношений эквивалентности, порождаемых параллельными фронтами в своих секторах.

Волновые вектора эквивалентностей составляют углы 60°, а период трансляций фронтов равен 1,5 стороны плитки. Как раз нецелое значение периода указывает на некристаллографичность. Аналогичное построение еще более просто осуществить для квартетной классической решетки. На примере этих решеток видно, что вся система в целом «программируется» фундаментальной областью, от которой стартует морфогенез.

а)

б)

Рис. 3. Сотовая решетка (а) и ее координационный древесный граф Кэли (б)

Такой тип генерации решеток не относится к задачам замощения, покрытия, разбиения в традиционном подходе [3, 18, 21].

Древесный граф Кэли от такой системы показан на рис.3б. Он полностью наследует симметрию сотовой решетки. Основные информодинамические характеристики собраны в табл.2. Также нетрудно заметить, что сама структура перечисляющих полиномов наследует сотовую симметрию. В вероятностных полиномах или кустовых распределениях четко прослеживается асимптотическое поведение коэффициентов, биномиальная структура которых в асимптотике оставляет только двоичные кусты. Уже из этого обстоятельства видно, что энтропийная и дивергентная меры в асимптотике будут вырождаться и обращаться в ноль:

Перколяционные зависимости для энтропийных и дивергентных функционалов по-прежнему характеризуются гиперболическим дальнодействием с критическими индексами / = 0,84; = 0,70; р; = 0,83; рт = 0,70 . Эти критические индексы несколько меньше в обоих направлениях перколяционных потоков, чем для квартетной решетки.

НшИ^ (хк 0;

(2)

Таблица 2

Аналитические выражения для перечисляющих структур и информодинамических функционалов на ДГК сотовой решетки

Прямой поток Обратный поток

Перечисляющие полиномы

хк) = 6х3 + 6(г - 2)х2 7(т(хк ) = 6 (г -1) х2 + 6х1

Вероятностные перечисляющие полиномы

.и к\ 1 3 . г - 2 2 1. (х ) =-х +--х У ' г -1 г -1 Л/ к\ > -1 2 . 1 1 ^ (х ) =-х +-х v ' г г

Энтропия Вайда, дивергенция Бонгарда

н ^) 2 (г - 2).^() 2 - 3 н) 2 0' " 1) . ВТ() 2 " 1

Н () (г -1)2' В () г (г -1) Н (г )= г2 ' В (г ) = г (( +1)

С этих позиций сотовая решетка более дальнодействующая, чем квартетная, но с общей нулевой асимптотикой. Также следует обратить внимание на одинаковость критических индексов энтропийного и дивергентного функционалов, поэтому и для случая сотовой решетки мы видим выполнение принципа согласования.

ОЦЕНКА ДАЛЬНЕГО ПОРЯДКА НА БИГЕКСАГОНАЛЬ-НОЙ МОЗАИКЕ ДЮНО-КАЦА

Бигексагональная мозаика Дюно-Каца - одна из простейших квазикристаллических структур [4, 21], которая минимально «отстоит» от уже рассмотренных решеток. Эта мозаика показана на рис. 4, а.

Она также сформирована фронтальным морфогенезом от двух минимально пересекающихся гексазвезд. В основе бигекса-гональной мозаики лежит трехуровневый алфавит, составленный из гексаромба, гексазвезды, и двух гексазвезд, пересекающихся по гексаромбу.

Согласно общей методике отображения, был построен координационный древесный граф Кэли для этой мозаики, который показан на рис. 4, б. Из этого рисунка видно, что по направлениям симметрий идут кусты пятой степени ветвистости, а в секторах наблюдается квартетная симметрия кустов, причем всегда две крайних ветви обрываются, а срединная пара ветвей продолжает расти.

Рис. 4. Бигексагональная мозаика Дюно-Каца (а) и ее ДГК (б)

Стоит заметить довольно сильную локальную внутриуровневую пересекаемость кустов.

Данный граф допускает симплициальную кустовую декомпозицию с алфавитом [Ц х 2р] (рис. 4, б), хотя в дальнейшем связи по типу координации не различаются. Следующим шагом является применение теории перечисления графов. Для этого составляются 1111, ВПП, которые приведены в табл. 3.

Из 1111 в прямом потоке видно, что ветвистость кустов равна

7^((X); к = 5;4;0). с рангом г^ = 5. Коэффициенты при высших

рангах полинома постоянны, и равны 6, что является указателем на гексасимметрию. Коэффициенты ПП при 4 и 0 степенях ветвистости образуют арифметическую прогрессию. Эти значения обусловлены симметрией порождающей гексазвезды.

В обратном потоке мы имеем дело с перечисляющим четырехчленном: 7^((хк); к = 4; 3; 2; 1) с рангом г4. Инвариантные

коэффициенты перколяции в асимптотике приходятся на четные ветвистости. Данные значения кратны 6, и также являются отражением симметрии порождающего элемента. Четные коэффициенты тоже образуют арифметическую прогрессию.

Оба потока перколяции на бигексагональном ДК имеют типовую структуру. Вырождению подлежат к^ = 5; 3; 1. Выходят

на стационарный режим четные степени: к= 4; 2; 0. Тем самым, общая перколяционная статистика ВПП также наследует гексасимметрию мозаики Дюно-Каца.

В табл. 3 также приведены энтропия Вайда и дивергенция Бонгарда в аналитической форме.

Был идентифицирован гиперболический характер спадания информодинамических характеристик с соответствующими критическими индексами:

/= 0,14; у' = 0,19; у;<р;; у'<р'

Р; = 0,16; р' = 0,19; у; <у'; р; <р'

Таблица 3

Аналитические выражения для перечисляющих структур и информодинамических функционалов на ДГК бигексагональной мозаики Дюно-Каца

Прямой поток Обратный поток

Перечисляющие полиномы

Т^( хк) = 6х5 + 4(3г - 5) х4 + 2(3г - 5) х° Т (хк) = 2(3г -11) х4 +12х3 + 4(3г - 8) х2 +18Х

Вероятностные перечисляющие по >линомы

^ ) =

4(3г - 5) -х +—г-т х

6(3г -4) 6(3г -4)

+ 2(3г - 5) „

+ X

6 (3г - 4)

Л( к\ 3г-П 4 6 (■ (х )=-X +--X

^ ' 3(3г - 4) 3(3г - 4)

+ 2С3г-В)х2 X»

3(3г - 4) 3(3г - 4)

Энтропия Вайда, дивергенция Бонгарда

в" (г ) =

9(3г - 4)2 36г2 - 30г - 23 9(3г - 4)(3г -1)

Н1(г) В'(■)

9 (3г - 4)2

и.) = 36г2 + 78г - 329 ' = 9(3г -4)(3г -1)

Значение критических индексов указывает на весьма сильное дальнодействие этой квазикристаллической структуры. В данном случае можно говорить о сверхдальнодействии по отношении к «кулоновскому», «гравитационному» типу дальнодействия в

квартетной и сотовой решетках. Также стоит отметить, что обратный поток менее дальнодействующий. Из (3) также можно заключить, что критические индексы в обратном потоке являются совпадающими, и в этом мы видим результат воздействия «отражения» от бесконечного горизонта ДГК. Остальные неравенства (3) следует признать существенными. Выражение (3) в целом также можно считать своеобразным проявлением обобщенного 11-го начала термодинамики для бигексагональной мозаики Дю-но-Каца.

Пользуясь выражениями энтропии и дивергенции табл.3, были получены следующие значения соответствующих асимптотик:

limфб/2 - 66i +10)

г^да ^ '

4

lim H = ^^-2-- = 0,444...;

«да v 9(3i - 4)2 9

lim Hl = ---= 0,444...;

lim с(3б/2 + 42i - 350)

г^да ^ '

4

v

г^да

9(3i - 4)2 lim Hl = lim hJ

i ^да г^да

limc(36i2 - 30i + 23) 4

lim Bl = ---= 0,444...;

v 9(3i - 4) (3i -1) 9

v

г^да

lim Bl = ^^----—= 0,444...

lim c(36i2 + 78i - 329)

г^да ^ '

4

v

г^да

9(3i - 4) (3i -1) 9 lim Bl = lim Bj

г^да г^да

Последние выражения указывают, что возможно существование таких, в данном случае, квазикристаллических решеток би-гексагонального типа, в которых существенно ненулевая асимптотика. Тогда, наряду с гиперболичностью энтропийной перко-ляционной зависимости с критическими индексами у < 1, в качестве нового признака вводится факт ненулевой остаточной энтропии. Сами значения энтропии и дивергенции не максимальны, это указывает на наличие значительного порядка. А их асимптотическое равенство может свидетельствовать о совершенстве системы.

Заключение

Предложен и систематически применяется новый информо-динамический метод диагностики дальнего упорядочения обобщенных решеточных систем. Этот метод основан на понятии координационного порядка. Для адекватного отображения координационных отношений предложен формализм ДГК, которые изучаются в эстафетном приближении. В качестве функционалов, идентифицирующих дальний порядок, используются энтропия и дивергенция Бонгарда в форме Вайда. Изучалась зависимость вышеуказанных функционалов как вариант задачи перколяции в нетрадиционной постановке на ДГК.

Объектами приложения данного метода в настоящей работе являются квартетная, сотовая решетки, а также бигексагональная мозаика, которые ранее не рассматривались в таком подходе. Для всех вышеуказанных систем удалось установить соответствующие типы дальнодействия.

Показано, что квартетная и сотовая решетки могут быть сведены в один класс на основании того, что перколяционная зависимость энтропии принадлежит гиперболическому типу с критическим индексом, не превосходящим единицы. Тем самым, диагностика дальнего упорядочения сводится к типу гиперболичности по критическому индексу и поведению энтропийных функционалов в асимптотиках.

В частности, для квартетной и сотовой решеток в прямом потоке перколяции характерен «гравитационный», «кулоновский» тип дальнодействия. Информодинамический анализ указывает на вырождение энтропийного и дивергентного функционалов в асимптотике для квартетной и сотовой структур.

Бигексагональную мозаику Дюно-Каца можно отнести к такому классу дальнодействия, где критический индекс значительно меньше единицы. Эта решетка и соответствующее ДГК имеют более сложную топологическую структуру со своими степенями дальнодействия, а в асимптотике существует остаточная энтропия, величина которой равна 4/9 = 0,444...

Предлагаемый метод, апробированный на вышеуказанных решетках, позволяет высказать надежду, что он может быть универсальным количественным идентификатором природных сред и материалов искусственного происхождения с целью определения характера их дальнего упорядочения на нано-, микро- и ме-зоуровнях.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Гусев А.И. Нестехиометрия, беспорядок, ближний и дальний порядок в твердом теле. М.: Физматлит, 2007. 856 с.

2. Клеман М., Лаврентович О.Д. Основы физики частично упорядоченных сред. М.: Физматлит, 2007. 680 с.

3. Медведев Н.Н. Метод Вороного-Делоне в исследовании структуры некристаллических систем. Новосибирск: изд. СО РАН, 2000. 214 с.

4. Гратиа Д. Квазикристаллы // УФН. 1988. т.156. вып.2. с.347-364.

5. Братковский А.М., Данилов Ю.А., Кузнецов Г.И. Квазикристаллы // ФММ. 1989. т.68, № 6. с.1045-1095.

6. Юдин В. В. Стохастическая магнитная структура пленок с мик-ропоровой системой. М.: Наука, 1987. 236 с.

7. Юдин В.В., Писаренко Т.А., Любченко Е.А., Савчук Е.А. Случайные координационные деревья Кэли для сеточных мезоструктур кварцевых и металлических стекол // Кристаллография. 1999. т.44, № 3. с.413-421.

8. Юдин В.В. и др. Мозаика Пенроуза как древесно-графовая стохастическая решетка // Кристаллография. 2002. т.47, № 2. с.224-231.

9. Юдин В.В., Писаренко Т.А., Любченко Е.А. Информодинамика сетевых структур. Вероятность. Древесные графы. Фракталы. Владивосток: Изд-во ДВГУ, 2003. 243 с.

10. Юдин В.В., Титов П.Л., Михалюк А.Н. Энтропийная мера характера порядка-беспорядка решеточных систем в представлении координационных древесных графов Кэли // Теоретическая и математическая физика, 2010, Т.164. С.88-107.

11. А. ЫШуик, Р. тНоу, V. Тийт. РИуБюа А. 389, 4127 (2010).

12. Юдин В.В., Писаренко Т.А., Любченко Е.А., Чуднова О.А. Обобщенные решеточные системы как сверхперколирующие структуры // Изв.РАН. Сер.Физ. 2001. № 10. с.1405-1410.

13. Касти Дж. Большие системы. Связность, сложность, катастрофы. М.: Мир, 1982. 216 с.

14. Айзерман М.А. и др. Динамический подход к анализу структур, описываемых графами (Основы графодинамики) / Сб. науч. тр. «Исследования по теории структур» М.: Наука, 1988. с.5-76.

15. Харари Ф., Палмер. Э. Перечисление графов. М.: Мир, 1977. 396 с.

16. Бонгард М.М. Проблемы узнавания. М.: Наука, 1967. 318 с.

17. Кульбак С. Теория информации и статистика. М.: Наука, 1967. 400 с.

18. Галиулин Р.В. Кристаллографическая картина мира // УФН. 2002. т.172. № 2. с.228-233.

19. ПенроузР. Новый ум короля. М.: Едиториал УРСС, 2003. 384 с.

20. Шубников А.В., Копцик В.А. Симметрия в науке и искусстве. М.: Наука, 1972. 340 с.

21. Стивенз П.В., Гоулдман А.И. Структура квазикристаллов // В мире науки. 1991. № 6. с.19-28.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Титов Павел Леонидович — кандидат физико-математических наук, [email protected],

Щеголева Светлана Анатольевна — кандидат физико-математических наук, доцент, [email protected], Дальневосточный федеральный университет.

UDC 538.9:530.1:519.17:519.24

ENTROPIC MEASURE OF ORDER-DISORDER DEGREE OF CRYSTALLINE AND QUASICRYSTALLINE SYSTEMS IN THE TREE-GRAPH REPRESENTATION

Titov Pavel Leonidovich, candidate of physico-mathematical Sciences, [email protected] far Eastern Federal University, Russia,

Schegoleva SvetlanaAnatol'evna, candidate of physico-mathematical Sciences, associate Professor, [email protected] far Eastern Federal University, Russia.

The problem of order-disorder character identification of different lattice systems has been solved. The percolation problem is considered in terms of entropy functional on Cayley tree graphs. Long-range order is described by hyperbolic percolation entropy dependences.

Key words: Cayley tree graph, percolation, entropy, order-disorder degree, long-range action.

REFERENCES

1. Gusev A.I. Nestehiometrija, besporjadok, blizhnij i dal'nij po-rjadok v tverdom tele (Nonstoichiometry, disorder, far and middle order in a solid), Moscow, Fizmatlit, 2007, 856 p.

2. Kleman M., Lavrentovich O.D. Osnovy fiziki chastichno uporja-dochennyh sred (Fundamentals of physics part-OPORA ordered environments), Moscow, Fizmatlit, 2007, 680 p.

3. Medvedev N.N. Metod Voronogo-Delone v issledovanii struktu-ry nekristallicheskih sistem (Method Voronoi-Delaunay in the study of the struc-ture of non-crystalline systems), Novosibirsk, izd. SO RAN, 2000, 214 p.

4. Gratia D. Kvazikristally (Quasi-crystals), UFN, 1988, 1.156. vyp.2, pp.347-364.

5. Bratkovskij A.M., Danilov Ju.A., Kuznecov G.I. Kvazikristally (Quasi-crystals), FMM. 1989. t.68, No 6, pp.1045-1095.

6. Judin V.V. Stohasticheskaja magnitnaja struktura plenok s mik-roporovoj sistemoj (Stochastic magnetic structure of the films with Mick-aporoval system). Moscow: Nauka, 1987. 236 p.

7. Judin V.V., Pisarenko T.A., Ljubchenko E.A., Savchuk E.A. Sluchajnye koordinacion-nye derevja Kjeli dlja setochnyh mezostruktur kvar-cevyh i metallicheskih stekol (Case-by coordinating the trees for the Cayley grid mesostructure kvar-zevah and metallic glasses), Kristal-lografija, 1999. t.44, No 3, pp.413-421.

8. Judin V.V. i dr. Mozaika Penrouza kak drevesno-grafovaja sto-hasticheskaja reshetka (Mosaic Penrose as wood-graph hundred-justicesee grid), Kristallografija, 2002, t.47, No 2, pp.224-231.

9. Judin V.V., Pisarenko T.A., Ljubchenko E.A. Informodinamika setevyh struktur (Informationlike network structures). Verojatnost'. Drevesnye grafy. Fraktaly, Vladivostok, Izd-vo DVGU, 2003, 243 p.

10. Judin V.V., Titov P.L., Mihaljuk A.N. Jentropijnaja mera ha-raktera porjadka-besporjadka reshetochnyh sistem v predstavlenii koor-dinacionnyh drevesnyh grafov Kjeli (The entropic measure ha-nature of order-disorder lattice systems in the representation of the coordination of tree graphs Cayley), Teoreticheskaja i matematiche-skaja fizika, 2010, V0l. 164. pp.88-107.

11. A. Mihalyuk, P. Titov, V. Yudin. Physica A (Physica A). 389, 4127 (2010).

12. Judin V.V., Pisarenko T.A., Ljubchenko E.A., Chudnova O.A. Obobshhennye reshe-tochnye sistemy kak sverhperkolirujushhie struktury (Generalized lattice systems as corporalibus structures), Izv.RAN, Ser.Fiz. 2001, No 10, pp.1405-1410.

13. Kasti Dzh. Bol'shie sistemy. Svjaznost', slozhnost', katastrofy (Connectivity, complexity, disaster myths), Moscow, Mir, 1982, 216 p.

14. Ajzerman M.A. i dr. Dinamicheskij podhod k analizu struktur, opisyvaemyh grafami (Osnovy grafodinamiki) (A dynamic approach to the analysis of the structures described graphs (basic gravidynamic)) / Sb. nauch. tr. «Issle-dovanija po teorii struktur», Moscow, Nauka, 1988. pp.5-76.

15. Harari F., Palmer. Je. Perechislenie grafov (Enumeration of graphs), Moscow, Mir, 1977, 396 p.

16. Bongard M.M. Problemy uznavanija (Problems of recognition), Moscow, Nauka, 1967. 318 p.

17. Kul'bak S. Teorija informacii i statistika (Theory and statistics), Moscow, Nauka, 1967, 400 p.

18. Galiulin R.V. Kristallograficheskaja kartina mira (Crystallographic picture of the world), UFN, 2002, t.172, No 2, pp. 228-233.

19. Penrouz R. Novyj um korolja (New king mind), Moscow, Editorial URSS, 2003, 384 p.

20. Shubnikov A.V., Kopcik V.A. Simmetrija v nauke i iskusstve (Symmetry in science and art), Moscow, Nauka, 1972, 340 p.

21. Stivenz P.V., Gouldman A.I. Struktura kvazikristallov (Structure of quasicrystals), V mire nauki, 1991, No 6, pp.19-28.

УДК 639.2.031:681.883

© П. А. Волков, В.И. Короченцев, С.В. Горовой, А.А. Волкова, 2014

ИССЛЕДОВАНИЕ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН В РУДНИКАХ И ШАХТАХ

Добыча полезных ископаемых закрытым способом требует быстрого и своевременного информирования о процессах протекающих в местах работ, так как, как правило, отсутствует визуальный контроль работ со стороны руководителя. Необходимо быстрое оповещение персонала находящегося под землей о возникшей аварийной ситуации для их эвакуации. В случае невозможности эвакуации, выяснить статус оказавшихся на месте аварии рабочих. Существующие системы подземной связи не могут полном объеме удовлетворить требования добывающей промышлености. В статье описывается возможный к подход, к решению этой проблемы. Ключевые слова: электромагнитное поле, подземная связь, распространения радиоволн, системы подземной связи.

Организация надежной системы связи на предприятиях добывающей промышленности — это жизненная необходимость для управления важнейшими производственными процессами, в том числе и для обеспечения промышленной безопасности. Отсутствие надежной горноспасательной связи (телефонная связь нарушается, отделений для организации связи не хватает, высокочастотная связь не всегда надежна) отнесено к основным проблемным вопросам обеспечения промышленной безопасности и боеготовности ВГСЧ.

Вместе с тем, именно в добывающей отрасли на сегодняшний момент угрожающе растет уровень аварийности и травматизма, а профессия шахтера занимает одно из первых мест в списке самых рискованных.

Сложившаяся ситуация заставляет горные предприятия делать инвестиции в модернизацию морально и физически устаревшего оборудования подземной связи, в построение современных систем аварийного оповещения и связи, причем во главу угла ставится задача обеспечения безопасности труда горняков. Ибо высокий уровень аварийности и травматизма привел к тому,

что профессия шахтера стала одной из самых рискованных, а, следовательно, и не престижной.

Безопасность труда на горнодобывающих предприятиях и их эффективное функционирование зависят от состояния и возможностей используемых систем подземной связи. Не секрет, что на многих российских шахтах до недавнего времени единственным средством связи шахтеров с диспетчерами служит проводная связь.

Слабым местом проводной связи является также оповещение рабо-тающих о возникновении аварийных ситуаций, подтверждение тому аварии последних лет на шахтах и рудниках с человеческими жертвами.

Возникновение аварийных ситуаций на горнодобывающем предприятии ведут к потере управляемости подразделениями и персоналом и приводят не только к материальным потерям, но и человеческим жертвам.

На сегодняшний день в мировой практике используется несколько беспроводных типов систем передачи информации в рудниках и шахтах. Это системы, использующие радиосвязь вдоль естественных направляющих и по излучающему кабелю, системы микросотовой связи на основе DECT и WiFi технологий, а также системы, радиоканал которых действует через толщу горных пород.

Анализ функциональных возможностей этих систем показывает, что ни одна их них не соответствует в полной мере сформулированным выше требованиям.

• Системы связи, использующие радиосвязь вдоль естественных направляющих и по излучающему кабелю, системы микросотовой связи на основе DECT и WiFi технологий.

Наиболее известны «ВЕСНА Ш1», «Талнах», КИС-1 (Россия), MineCom Australia, MultiCom (МСА-1000 Австралия), Mine Radio Systems (Канада).

Системы радиосвязи, построенные на проводных или кабельных линиях, как правило, разрушаются при авариях. При этом подземный персонал шахты или рудника лишается радио или телефонной связи с поверхностью.

Системы связи, использующие радиоканал, действующий через толщу горных пород: «Земля-ЗМ», «Радиус-2». «СУБР-

1СВМ» и другие. Аварийное оповещение эти системы осуществляют путем преобразования принятого радиосигнала в кодовое мигание лампы головного светильника шахтера.

Речевое оповещение в этих системах отсутствует. Хотя оповещение голосом в аварийных ситуациях является более предпочтительным. Ведь шахтер должен узнать не только, что произошла авария, но и понять ее характер, возможные последствия, а также уяснить безопасные пути выхода на поверхность.

Первый тип использует электромагнитные волны длинноволнового диапазона. Это накладывает определенные ограничения: малая скорость и объем передаваемой информации, малая разрешающая способность не позволяет осуществлять поиск шахтеров под завалами, большие габаритные размеры аппаратуры связи. Второй строится на основе технологии излучающего кабеля и использует УКВ и СВЧ диапазоны вблизи трассы кабеля. В этом случае основной проблемой является плохое распространение волн этих длин в подземных условиях. Что требует частого расположение узловых точек для ретрансляции сигнала, затрудняет поиск людей под завалами и в случае обрыва излучающего кабеля делает не возможным связь с «нижнем» сегментом сети.

На кафедре Приборостроения Дальневосточного федерального университета были проведены исследования по распространению электромагнитных волн в рудниках и шахтах. По результатам изготовлено экспериментальное оборудование и осуществлена беспроводная подземная двухсторонняя речевая связь на расстояниях до 1 км и более, при этом генерация электромагнитной энергии осуществлялась непосредственно в землю без использования приемопередающего фидера и мощных индукционных антенн.

Связь осуществлялась на частотах от одного до шести мегагерц. При мощности излучения до 40 Вт с применением диполь-ных антенн 2 по 25 м была достигнута устойчивая двухсторонняя речевая связь через горное тело на расстоянии более 1 км.

Так же была выведена физическая модель. Основная физическая идея заключается в использование классической теории Максвелла на неоднородные слоистые горные породы в которых распространяется квазисферическая электромагнитная волна.

При этом для различных участков земной коры (рудник, шахта) можно составить математическую модель трассы распространения волны, выбрать оптимальную высокую частоту (более 500 кГц), которая может формировать информационную волну распространяющиеся на расстояние до 2 км.

Квазисферическая волна, в отличие от плоской в слоистой среде может просачиваться через мелкие слои песчаника, скалистых участков и другие диэлектрические вкрапления на большие расстояния до 2000 м.

Электромагнитные поля описываются с помощью волнового уравнения. При распространении в среде электромагнитной волны векторы напряженности электрического и магнитного поля должны удовлетворять уравнениям Максвелла.

Получим оценку этих формул с использованием теории общей электродинамики с позиции отражения и прохождения электромагнитных волн на границе раздела двух сред.

Волновое уравнение электрического вектора электромагнитной волны для двух сред:

- 1 д2 Е

АЕ - айн?-=(1)

1 1 82^2 где — = —^ — скорость для вакуума, — = 22 — скорость

С, с с2 с

1 вак 2 вак

для биологической среды, е1 - относительная диэлектрическая проницаемость вакуума, ц1 - относительная магнитная проницаемость вакуума, е2 - относительная диэлектрическая проницаемость биологического вещества, ц2 - относительная магнитная проницаемость биологического вещества.

Волновое уравнение магнитного вектора электромагнитной волны для двух сред:

- - сз=<2>

Однако необходимо учитывать затухание в биологической среде [3]:

Волновое уравнение электрического вектора электромагнитной волны:

АЕ -

1 д2 Е 4л|удЕ

д*

с2 д*2

= 0.

(3)

Волновое уравнение магнитного вектора электромагнитной волны:

АН -

1 д2 Н 4л|удН

д*

с2 д*2

= 0,

(4)

Введение вектора Герца позволяет уменьшить число скалярных неизвестных при решении уравнений Максвелла. После определения вектора Герца соответствующие друг другу значения

Е и Н определяются автоматически.

Для поля электрического типа вводится электрический вектор Герца (для биологического вещества):

- - | у -ж

АП2э - 2 2

2 -2 де

1 д2Пэ 4л|у дПэ

"дГ

(6)

. . с с

„2 VI 1^2

где Пэ — электрический вектор Герца, у~ст — распределение

сторонних токов, в0 = 1Узбп Ф/м - диэлектрическая проницае-

мость вакуума.

Для поля магнитного типа вводится магнитный вектор Герца: 1 д2 Пм 4 лцудЯ

АПМ - 2

д*2

д*

= - М

(7)

где ПМ — магнитный вектор Герца, М — магнитная поляризация или намагниченность среды, равная магнитному моменту единицы объема.

Для рассматриваемой задачи на границе раздела двух сред должны выполняться следующие граничные условия:

(8)

81П V =82 П2

дП1 дП2

дп дп

где 5ГР - граница раздела двух сред, п — нормаль к границе раздела сред.

нет очник

Рис. 1. Геометрия задачи для случая рассмотрения распространения электромагнитных волн в замкнутом объеме, фф - углы наклона рассматриваемого вектора, ф, у - углы, указывающие на точку наблюдения

Рассмотрим распространение электромагнитных волн в замкнутом объеме, где замкнутый объем рассматривается как биологический объект.

Предложена математическая модель, которую можно использовать для анализа численного исследования электромагнитных полей, в слоистой среде.

Экспериментальная проверка предложенной модели проходила на шахтах России (рудник Восточный п. Восток-2, Дальний г. Дальнегорск, угольная шахта п. Липовцы), Китая (угольные шахты г. Цзямусы). Основной целью испытания было выявление условий для создания устойчивых беспроводных каналов передачи голосовой и цифровой информации, а также проверка опытных образцов системы подземной беспроводной связи созданной на кафедре Приборостроения ДВФУ. Была достигнута устойчивая связь на расстояние до 2000 м. при мощности передатчика 40 Вт в диапазоне частот от 500 кГц до 10 МГц. На минимальной мощности 5 Вт достигалась устойчивая голосовая связь на расстояние до 1000 м в подземных условиях. Причем в местах, где

преобладали вулканические породы (рудники) устойчивая связь достигалась во всем частотном диапазоне, но не на минимальной мощности. В местах с преобладанием осадочных пород дальность зависела от частотного диапазона, до дальность достигалась при минимальной мощности максимальная.

В сложных условиях кодовая связь предпочтительнее, как более устойчивая к помехам, при использование специальных кодов с накоплением и коррекцией ошибок.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Короченцев В.И. Волновые задачи теории направленных и фокусирующих антенн / В. И. Короченцев. - Владивосток: Изд-во Даль-наука, 1998. -192 с.

2. Коренное Б. И. Исследование условий распространения радиоволн на шахтах Севера и разработка аппаратуры шахтной радиосвязи»/ Диссертация, 1983 г. Москва

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Волков Павел Анатольевич — [email protected], Короченцев Владимир Иванович — [email protected], Горовой Сергей Владимирович — [email protected], Волкова Анна Александровна — [email protected], Дальневосточный федеральный университет.

Рис. 2. Экспериментальный образец беспроводной системы связи

UDC 639.2.031:681.883

THE STUDY OF THE PROPAGATION OF ELECTROMAGNETIC WAVES IN THE MINES AND THE MINES

Volkov Pavel Anatolyevich, [email protected], far Eastern Federal University the University, Russia,

Karachentsev Vladimir Ivanovich, [email protected], far Eastern Federal economic University, Russia,

Gorovoy Sergey Vladimirovich, [email protected] far Eastern Federal University, Russia, Volkova Anna Aleksandrovna, [email protected] far Eastern Federal University, Russia.

Mining closed method requires a quick and timely information about the processes occurring in the work place, because, as a rule, there is no visual inspection work on the part of the head. The need for rapid notification of personnel is under the ground of emergency has arisen for their evacuation. If you can not evacuate, find out the status caught at the scene of the workers. The existing system of underground communication can not fully meet the requirements of the mining industry. This article describes a possible approach to solving this problem.

Key words: Electromagnetic field, underground communications, propagation system of underground communications

REFERENCES

1. Korochencev V.I. Volnovye zadachi teorii napravlennyh i fokusirujushhih antenn (Wave problems in the theory of directed and focusing anten), V. I. Korochencev, Vladivostok, Izd-vo Dal'nauka, 1998. 192 p.

2. Korennov B.I. Issledovanie uslovij rasprostranenija radiovoln na shahtah Severa i razrabotka apparatury shahtnoj radiosvjazi» (Study of radio wave propagation conditions in the mines of the North and the development of equipment for mine radio»), Dissertacija, 1983, Mos-

cow.

УДК 534.21 © Д.С. Стробыкин, Ю.Н. Моргунов, 2014

АКУСТИКО-ГИДРОФИЗИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ДИСТАНЦИОННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ МОРСКОЙ СРЕДЫ*

Приведено описание технических характеристик и результаты экспериментальной апробации акустико-гидрофизического аппаратно-программного комплекса, разработанного ТОИ ДВО РАН. Комплекс создавался для осуществления дистанционного мониторинга структуры и динамики вод в шельфовых зонах при сложных гидрометеорологических условиях: акватории с ледовым покрытием, сильными течениями, штормами. В основу технической реализации положены методы акустической томографии с применением зондирования морской среды сложными фазоманипулированными сигналами. Основным достоинством комплекса является возможность использования его для позиционирования и управления автономными необитаемыми подводными аппаратами (АНПА) и роботами. Были проведены тестовые эксперименты в Корейском проливе, в заливе Посьета, а также у острова Скребцова. Эксперименты с использованием излучателей в диапазоне частот 2000—6000 Гц показали возможность мониторинга изменчивости температур и скорости течений на акваториях площадью до 10 кв. километров с точностью около 1 градуса и 10 см\с соответственно. Ключевые слова: акустика, мониторинг, томография, сложные сигналы, мелкое море

ВВЕДЕНИЕ

Активное освоение и использование биологических и минеральных ресурсов прибрежного шельфа, бухт, заливов и проливов, требует создания специфических систем мониторинга параметров морской среды в условиях мелкого и очень мелкого (менее 30 метров) моря. Помимо небольшой стоимости, в сравнении с контактными методами измерений, дистанционные методы мониторинга обладают целым рядом преимуществ [1, 2], среди которых, способность работать в сложных условиях, будь-то: сильные течения в исследуемой области, неблагоприятные погодные условия, ледовое покрытие.

* Работа выполнена при частичной поддержке гранта ДВО РАН (15-11-1-045).

В работе приводится описание технических характеристик и результаты экспериментальной апробации акустико-гидрофизи-ческого аппаратно-программного комплекса разработанного в Тихоокеанском океанологическом институте ДВО РАН (г. Владивосток).

В настоящее время проводятся работы по тестированию, отладке, и совершенствованию макета мобильного акустико-гидрофизи-ческого аппаратно-программного комплекса для проведения дистанционных исследований структуры и динамики вод в шельфо-вых зонах. В основу технической реализации положены методы акустической томографии с применением зондирования морской среды сложными фазоманипулированными сигналами [3, 4].

Основной особенностью комплекса является придонное размещение излучающих и приемных систем с передачей акустической и гидрофизической информации по радио и гидроакустическому каналам. Это позволяет обеспечить надежность и мобильность функционирования комплекса. Главным достоинством комплекса является возможность использования его для позиционирования и управления автономными необитаемыми подводными аппаратами (АНПА) и роботами [5]. Это существенно расширяет функциональные возможности комплекса, особенно при работах подо льдом и при неблагоприятных погодных условиях.

АКУСТИКО-ГИДРОФИЗИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС

В качестве инструмента для обеспечения указанных выше исследований в ТОИ ДВО РАН разработан и изготовлен макет мобильного акустико-гидрофизического комплекса. С помощью которого может проводиться как физическое моделирование решения томографических задач в натурных условиях, так и предварительное изучение акустической обстановки на заданной акватории [6]. Комплекс построен по модульному принципу и ориентирован на акустический мониторинг шельфовых зон океана, однако может применяться в исследованиях по определению координат подводных объектов и распространению сигналов на акустических трассах большой протяженности.

В состав комплекса (рис. 1) входит автономная излучающая система, приемная система на базе радиогидроакустического буя и центр анализа томографических сигналов (находящийся на берегу или на плавсредстве), где обеспечивается прием, обработка

и отображение поступающих акустических и гидрофизических данных. Особенностью комплекса является возможность синхронизации работы его составляющих с помощью системы единого времени (СЕВ), а также передачи в реальном времени по радиоканалу в центр анализа поступающей с погруженного на заданную

Рис. 1. Структурная схема мобильного акустико-гидрофизического аппаратно-программного комплекса

глубину гидрофона радиогидроакустического буя акустической информации, температуре и глубине одновременно с данными о координатах его надводной части. Это позволяет оперативно исследовать качество томографических сигналов, условия распространения их на акватории, определить степень влияния гидрологической и сигнально-помеховой обстановки и разработать рекомендации по выбору мест и способов постановки приемника.

В состав автономной излучающей системы (АИС) (рис. 2, а) входит гермоконтейнер с источником электропитания и электронной аппаратурой, гидроакустический излучатель, универсальная разборная рамная конструкция для транспортировки и постановки системы или ее элементов на грунт, и набор сменных соединительных кабелей, длина которых зависит от способа постановки АИС и особенностей района работ.

Конструктивные размеры гермоконтейнера определены, в основном, габаритами аккумулятора, обеспечивающего энергозатраты на суточную работу АИС при ежеминутном излучении посылок, а также габаритами усилителя мощности сигналов. Расчетная глубина эксплуатации АИС - до 100 м. Кабельные линии и забортное оборудование подключаются к аппаратуре АИС посредством отдельных герморазъемов, расположенных на торцевых крышках. Цилиндрический пьезокерамический излучатель, закреплен в рамной конструкции, на которой он может устанавливаться на грунт отдельно, где связанный кабелем с излучателем гермоконтейнер доставляется на берег или лед, или совместно с рамой гермоконтейнера (рис. 2, а). Характеристики данного излучателя позволяют работать с широкополосными сигналами на центральной частоте 2500 Гц. Функциональная схема АИС представлена на рис. 1.

Проведение с помощью комплекса экспериментальных исследований предполагает, что типы и частотные характеристики применяемых сигналов могут быть различны и ограничены только полосой рабочих частот усилителя мощности и используемого излучателя, который тоже может быть заменен на, например, более высокочастотный 6 кГц, как это было сделано во время подледного эксперимента у острова Скребцова. В качестве томографических сигналов используются сложные фазоманипулирован-

ные сигналы типа М-последовательностей [7]. Система единого времени обеспечивает синхронизацию работы приемных и излучающих блоков системы, источником эталонной частоты СЕВ является прецизионный термостатированный генератор ГК103-ТС-М (относительная нестабильность 10-8).

Радиогидроакустический буй (рис. 2, б) также был разработан в ТОИ ДВО РАН, он состоит из основного и подводного блоков. Основной блок представляет собой цилиндрический контейнер с положительной плавучестью, куда встроены герметичные отсеки с электрическими платами и источником питания, радиопередатчик, GPS приемник, усилитель акустических сигналов, источник питания на основе глеевых аккумуляторов с емкостью не менее 24 Ач.

Подводный блок включает в себя гидрофон и гидрофизический модуль, и соединен с аппаратурой основного блока с помощью кабеля, и может располагаться как на дне, так и на заданной глубине в пределах нескольких сот метров. Максимальная мощность обеспечивает дальность устойчивого радиоканала до 15 -20 км.

Рис. 2. а — автономная излучающая система; б — радиогидроакустический буй

Для точного позиционирования приёмных систем разработан модуль, включающий GPS - приёмник, координаты с которого передаются по радиоканалу каждую секунду, что позволяет отслеживать дрейф системы. Определение глубины погружения гидрофона и температуры среды осуществляется с помощью датчика избыточного давления и датчика температуры. Для передачи по радиоканалу, координаты с GPS-приемника (протокол NMEA 0183), а также данные температуры и глубины с гидрофизического модуля, поступают на специализированный микроконтроллер блока формирования для объединения в один информационный поток, который будет передан на FSK - модулятор. FSK - модулятор кодирует информацию. После кодирования сигнал поступает на сумматор. Гидроакустический сигнал, принятый гидрофоном, усиливается и также поступает на сумматор. Далее суммированный сигнал подается на передающий тракт и через УКВ-радиопередатчик по радиоканалу поступает в центр анализа.

Центр анализа представляет собой функционально связанный комплект приборов и портативный компьютер. Здесь принятые гидрофоном акустические сигналы, а также информация GPS-приемника и данные дополнительных датчиков (температура среды и глубина гидрофона), переданные по радиоканалу, регистрируются, отображаются и обрабатываются. Приемный тракт центра анализа предназначен для приема радиосигнала с гидроакустического буя, и разделения акустической и координатной информации. Прием радиосигнала осуществляет широкополосным радиоприемником. Разделение принятого суммированного сигнала осуществляет демодулятор. Принятый сигнал поступает на блок фильтров для выделения гидроакустической информации и координат. После фильтра высоких частот данные поступают на FSK - демодулятор, на выход которого подключается компьютер через последовательный протокол (COM порт) со скоростью передачи 4800 бит/с. Численные значения координат и времени измерения сохраняются в текстовом файле. После фильтра низких частот выделяется акустический сигнал и сопрягается через линейный выход с персональным компьютером, на его вход также подаются сигналы точного времени с СЕВ для осуществления синхронизации между блоками излучения и приема.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Осенью 2010 года было проведена апробация комплекса в условиях сверхмалых глубин, илистого дна, высоких приливных перепадов уровня моря, которые могли достигать 3 метров. Исследования проводились вблизи острова Норёк в Корейском проливе с целью исследования особенностей формирования импульсных характеристик волновода на произвольно выбранной акустической трассе при зондировании сложными фазоманипу-лированными сигналами с центральной частотой 2500 Гц. Были установлены вблизи дна излучатель (глубина 8 метров) и на расстоянии 614,5 м от него приемная система на базе радиогидроакустического буя (глубина 4 м). Каждую минуту, в течение 15 ч, излучались сложные широкополосные сигналы (М-последова-тельности, длина 255 символов, 4 периода несущей частоты на символ). Взаимно-корреляционная обработка принятых сигналов с репликой излученного позволила получить и проанализировать временную изменчивость импульсной характеристики волновода на данной трассе (рис. 3, а). На импульсных характеристиках четко фиксируется до двенадцати приходов акустической энергии с различным количеством отражений от дна и поверхности.

Синхронно с акустическими работами, в точке размещения приемной системы проводились гидрофизические измерения. На рис. 3б приведены распределения температуры по глубине, измеренные вблизи приемной системы СТД-зондом и изменение уровня моря связанное с приливно-отливными явлениями (штриховая линия). По гидрологическим данным были произведены расчеты лучевых траекторий, которые показали, что первые два-три прихода акустической энергии соответствуют траекториям вблизи дна без отражений от поверхности. Для примера на рис. 4 приведены траектории лучей, распространяющихся вблизи дна под углами, близкими к нулю (рис. 4, а) и во всем слое воды с отражениями от дна и поверхности (рис. 4, б). Такая структура акустического поля позволила оценить изменчивость средней по трассе скорости звука (температуры) и в придонном слое по данным времени распространения импульсов. На начальном этапе измерений (до 20:00) рассчитанные значения скорости звука составили 1526 м/с, а затем увеличились до 1527 м/с. Соответственно, температуры изменились от 23,7 градусов до 24.4 граду-

сов. Можно отметить хорошее соответствие полученных значений с результатами гидрологических измерений. Следует также отметить однозначную зависимость вариаций времен приходов последних импульсов от изменений уровня моря с приливами и отливами (максимальный 1.1 метра в 18:00) [8, 9].

В марте 2011 года был проведен подледный эксперимент, в первую очередь для проверки работоспособности всех узлов и блоков в условиях отрицательных температур, а также для отработки подледной методики измерений. В процессе измерений исследовались особенности распространения сложных сигналов в условиях плотного ледового покрова поверхности моря и зимней гидрологии.

Экспериментальные исследования проводились в Амурском заливе вблизи острова Скребцова. Пьезокерамический излучатель был установлен на дне, на глубине 7 метров. С его помощью каждую минут излучались сложные фазоманипулированные сигналы

Рис. 3. а — импульсные характеристики; б — распределение температуры по глубине и изменение уровня моря связанное с приливно-отливными явлениями (штриховая линия)

Рис. 4. а — траектории лучей, распространяющихся в придонном звуковом канале; б — лучи распространяющиеся по всей водной тоще отражающиеся от дна и поверхности

с несущей частотой 6 кГц, М-последовательность, 255 символов, 4 периода несущей частоты на символ. На расстоянии около 1200 метров от излучателя был установлен радиогидроакустический буй (рис. 2, б), который использовался как приемник акустических сигналов, его гидрофон был установлен на глубине 10 м, при глубине места 11 м. Профиль дна акустической трассы представлял собой илистый пологий склон.

На рис.5 приведены профиль скорости звука в точке излучения и приема, и нормированная импульсная характеристика волновода. Как видно из гидрологических измерений, ниже 4-х метровой глубины наблюдается слабый, близкий к изотермии, положительный градиент скорости звука, выше же этой отметки наблюдаются довольно резкие скачкообразные уменьшения ее значений. На нормированной импульсной характеристике волновода прослеживается один стабильный во времени первый приход акустической энергии. Это связанно с тем, что лучи, претерпе-

вающие многократные отражения от нижней — илистой, хорошо поглощающей поверхности, и верхней - рассеивающей и содержащей пузырьки воздуха ледяной поверхности, испытывают сильное затухание.

В процессе проведения подледного эксперимента все узлы и блоки макета мобильного акустико-гидрофизического комплекса показали надежную и стабильную работу.

В эксперименте, проводимом в октябре 2011 года, источник сложных сигналов и измерительный комплекс размещались на дне вблизи береговой черты противоположных берегов бухты на расстоянии порядка 1 км друг от друга. Ежеминутно излучались сигналы типа М-последовательностей с центральной частотой 2 кГц, длиной 255 символов, с количеством периодов на символ равным 4. На рис. 6 приведена импульсная характеристика волновода, здесь же показано изменение глубины моря до 40 см и температуры в точке постановки буя.

Температурный датчик отчетливо зарегистрировал подход цуга трансформированных внутренних волн к береговой зоне в период прилива и уменьшение температуры в придонном слое с 15 градусов до 7 градусов. В это время на импульсной характеристике наблюдается увеличение времени приходов первых групп акустической энергии, что связано с заходом холодной воды в придонном

г

4

I 6

с

в

10

1434

Рис. 5. а — Профиль скорости звука в точке излучения (прерывистая) и приема (сплошная); б — Нормированная импульсная характеристика волновода

22:00 00:00 02:00 04:00 06:00 08:00 10:00 12:00

Время (чч:мм)

Рис. 6. Результаты измерений: а - импульсная характеристика волновода; б -показание датчика глубины; в - показание датчика температуры

слое, и, как следствие, распространением звука в придонном акустическом канале с меньшей скоростью. Таким образом, полученная с датчиков температуры и давления информация позволяет существенно дополнить и уточнить данные акустической термометрии для адекватного описания сложных динамических процессов в мелководных акваториях.

Также с помощью комплекса возможно проведение исследований по дистанционному мониторингу течений методом встречного зондирования подробно описанному в работе [10]. Все излучающие и приемные системы комплекса создавались в автономных вариантах для удобства проведения краткосрочных работ и тестовых экспериментов, но при необходимости все системы без существенных доработок могут быть поставлены на кабельные линии и функционировать неограниченное время. Следует отметить, что представленный комплекс может быть использован для

задач акустической навигации [6], а также для отработки средств гидроакустической связи и управления подводными объектами.

ВЫВОДЫ

Анализ результатов тестовых экспериментов показал высокую эффективность разработанных технических средств, для решения прикладных задач гидроакустики и гидрофизики. При размещении излучающих и приемных систем на различных глубинах, на акваториях с разными гидрологическими, батиметрическими, донно-осадочными, ледовыми характеристиками были исследованы возможности применения сложных сигналов для акустической томографии морской акватории. Временное разрешение структуры импульсных откликов позволяет рассчитывать на чувствительность метода к изменчивости температуры менее одного градуса и, также успешному использованию для измерения скорости морских течений и навигации. Результаты, полученные в процессе проведения натурных экспериментов с использованием комплекса, продемонстрировали его надежность и функциональность.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ (REFERENCE)

1. Geyer W. R., Traykovski P., Lavery A., «The impact of acoustic oceanographic methods on estuarine dynamics research,» in Proc. of Meetings on Acoustics, Acoustical Society of America [DOI: 10.1121/1.4799117], Montreal, Canada, June 2013, Vol. 19, PP. 005001.

2. Dushaw B. D., Worcester P. F., Munk W. H., Spindel R. C., Mercer J. A., Howe B. M., K. Metzger Jr., T. G. Birdsall, R. K. Andrew, M. A. Dzieciuch, B. D. Cornuelle, and D. Menemenlis, «A decade of acoustic thermometry in the North Pacific Ocean,» J. Geophys. Res., Vol. 114, p.24, 2009.

3. Munk W., Wunsch C., «Ocean acoustic tomography: Rays and modes,» Rev. Geophys. Space Phys. 21, 777-793 (1983).

4. Jesus S. M., Soares C., Onofre J., Picco P. «Blind ocean acoustic tomography: experimental results on the intifante'00 data set,» in Proc. of the European Conference of Underwater Acoustics, Gdansk, Poland, June 2002, pp. 9-18.

5. Bezotvetnyh V. V., Burenin A. V., Morgunov Y. N., Tagiltsev A. A., «Mobile Hardware-software system for studies in the field of underwater navigation,» Underwater Investigation and Robotics, Vol 1, pp. 59-63 (2011).

6. Morgunov Y. N., Golov A. A., Strobykin D. S., Kim K., Kim C., and S. Ro, «Acoustic-hydrophysical testing of a shallow site in coastal waters of the Korean strait,» Acoustical Physics, Vol 58, No. 3, pp. 320-325 (2012).

7. Akulichev V.A., Bezotvetnykh V.V., Burenin A. V., Voytenko E. A., Kamenev S. I., Morgunov Y. N., Polovinka Y.A., Strobikin D. S., «Remote Acoustic Sensing Methods for Studies in Oсeаnology,» Ocean Science Journal, Vol. 41, No. 2, pp. 105-111 (2006).

8. Morgunov Y. N., Polovinka Y. A., Strobykin D. S., «An experimental study of the effect of tide on acoustic field formed along a stationary track in the shelf zone of the Sea of Japan,» Acoustical Physics, Vol 54, No. 4, pp. 506-507 (2008).

9. Stephan Y., Demoulin X., Folegot T., Jesus S., Porter M. B., Coelho E., «Acoustical effects of internal tides on shallow water propagation: an overview of the INTIMATE 96 experiment,» in Experimental Acoustic Inversion Methods for exploration of the shallow water environment, edited by A. Caiti, J. — P. Hermand, S. M. Jesus, and M. B. Porter (Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, 2000), pp. 107-124.

10. Akulichev V. A., Bezotvetnykh V.V., Voitenko E.A., Kamenev S.I., Leont'ev A. P., Morgunov Y. N. «Acoustic remote sensing of currents at the shelf of the Sea of Japan,» Acoustical Physics, Vol 50, No. 5, pp. 493-495 (2004).

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Стробыкин Дмитрий Сергеевич — научный сотрудник, [email protected],

Моргунов Юрий Николаевич — доктор технических наук, старший научный сотрудник, [email protected],

Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева Дальневосточное отделение Российской академии наук.

UDC 534.21

ACOUSTIC-HYDROPHYSICAL MEASUREMENT COMPLEX FOR REMOTELY SENSED OBSERVATIONS OF WATER MEDIUM

Strobykin Dmitrii Sergeevich, research scientist; V.I.Il'ichev Pacific Oceanological Institute, Far Eastern Branch, Russian Academy of Sciences, [email protected], Morgunov Yury Nikolaevich, PhD, Dr (Tech. Sci.), head of department, senior officer; V.I.Il'ichev Pacific Oceanological Institute, Far Eastern Branch, Russian Academy of Sciences, Russia, [email protected].

Description of technical features and experimental approbation results of acoustical-hydrophysical hardware-software system that was developed POI FEB RAS are described. The system was developed for remote monitoring of structure and dynamics of waters in shelf zones in complex environments: ice covered water areas, strong currents, storms. Methods of acoustic tomography with the use of sounding of marine medium by multiplex phase manipulated signals are at the heart of the technical realization of the system. A major advantage of the system is a possibility of its using for positioning and control of autonomous underwater vehicles (A UV) and robots. Test experiments were conducted in the Korea Strait, in the Po-syet Bay, and near the Skrebtsov Island. Experiments with the use of sources in the frequency range of 2000-6000 Hz showed a possibility of monitoring of temperature and flow velocity changeability at water areas of up to 10 square kilometers with the accuracy of 1 Celsius degree and 10 cm/s, correspondingly.

Key words: acoustic, monitoring, tomography, multiplex signals, shallow water

СОДЕРЖАНИЕ

Бернавская М.В. , Стаценко В.Н.

КОМПЛЕКСНОЕ РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ АВТОНОМНЫХ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ.............................................................................................3

Горовой С. В.

ИССЛЕДОВАНИЕ СИГНАЛОВ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ, НАБЛЮДАЕМЫХ ПРИ РАСТРЕСКИВАНИИ И ДРОБЛЕНИИ КАМЕННОГО УГЛЯ...................................................................................14

Аксенов В.П.

ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЦЕНКИ РЕАКЦИИ

ЧЕЛОВЕКА НА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ...................................................................................23

Кантур В.А., Петросьянц В.В.

МЕТОД ДИСТАНЦИОННОГО ИНФОРМАЦИОННО-ВОЛНОВОГО ТЕСТИРОВАНИЯ ПРИРОДНЫХ СРЕД...................................................38

Ломакин А.Ф., Стеценко Г.А., Школьный С.И. АНАЛИЗ ДАННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ БЕЫ БУВ-Т Г.ВЛАДИВОСТОКА ...43

Сошина Н.С., Гарасев И.В., Ким А.В.

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ВОЗДЕЙСТВИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ ШАХТ НА ОРГАНИЗМ ЧЕЛОВЕКА.........................................57

Надымов А.В.

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ СИСТЕМ РАДИОСВЯЗИ, ИСПОЛЬЗУЮЩИХ OFDM МОДУЛЯЦИЮ................65

Орощук И.М., Сучков А.Н., Василенко А.М. МОНИТОРИНГ СОСТОЯНИЯ МОРСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ КОРРЕЛЯЦИОННЫМ ПРОСТРАНСТВЕННЫМ ФИЛЬТРОМ ДЕКАМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА...........................................................77

Родионов А.Ю., Кулик С.Ю.

ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ МНОГОЧАСТОТНЫХ СИСТЕМ СВЯЗИ C ОРТОГОНАЛЬНЫМ ЧАСТОТНЫМ УПЛОТНЕНИЕМ В КАНАЛАХ СВЯЗИ С ЗАМИРАНИЯМИ.............................................90

Стаценко В.Н.

ЖИДКОСТНАЯ НЕЙТРАЛИЗАЦИЯ ГАЗОВЫХ ВЫБРОСОВ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК.......................................................102

Стаценко Л.Г., Пуговкина О.А.

ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ РАЗОМКНУТОГО КОЛЬЦЕВОГО РЕЗОНАТОРА ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ЛОКАЦИОННЫХ РАДИОСИСТЕМ.......................................................................................110

Унру П.П., Стаценко Л.Г., Родионов А.Ю.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ АДАПТИНОГО ОРТОГОНАЛЬНОГО

ЧАСТОТНОГО МУЛЬТИПЛЕКСИРОВАНИЯ

В ГИДРОАКУСТИЧЕСКИХ КАНАЛАХ СВЯЗИ

ПРИ МОДУЛЯЦИИ ПЕРЕДАВАЕМОГО СИГНАЛА..........................118

Титов П.Л., Щеголева С.А. ФРАКТАЛЬНОСТЬ ПРОЦЕДУРЫ РОСТА

КВАЗИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО ПАРКЕТА ПЕНРОУЗА.....................124

Буренин А.В., Моргунов Ю.Н.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ СЛОЖНЫХ СИГНАЛОВ В СХЕМЕ ВРЕМЕННОГО ОБРАЩЕНИЕ ВОЛНЫ.............................................................................133

Титов П.Л., Щеголева С.А.

ЭНТРОПИЙНАЯ ОЦЕНКА СТЕПЕНИ ПОРЯДКА-БЕСПОРЯДКА КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ И КВАЗИКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ СТРУКТУР В ДРЕВЕСНО-ГРАФОВОМ ПРЕДСТАВЛЕНИИ..................................139

Волков П. А., Короченцев В.И., Горовой С. В., Волкова А. А. ИССЛЕДОВАНИЕ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН В РУДНИКАХ И ШАХТАХ.........................................................154

Стробыкин Д.С., МоргуновЮ.Н.

АКУСТИКО-ГИДРОФИЗИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ДИСТАНЦИОННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ МОРСКОЙ СРЕДЫ...................................................................................162

CONTENT

Bernavskaja M.V. , Stacenko V.N.

COMPLEX SOLUTION OF PROBLEMS OF ECOLOGICAL SAFETY

OF AUTONOMOUS HYDRAULIC STRUCTURES....................................3

Gorovoj S.V.

STUDY OF THE SIGNALS OF ACOUSTIC EMISSION, OBSERVED DURING SPLITTING OF THE BITUMINOUS COAL..............................14

Aksenov V.P.

MEASURING DEVICE FOR ASSESSING HUMAN RESPONSES ELECTROMAGNETIC RADIATION OF LOW FREQUENCY.................23

Kantur V.A., Petrosyanc V.V.

METHOD OF REMOTE INFOWAVE TESTING NATURAL ENVIRONMENT..........................................................................................38

Lomakin A.F., Stecenko G.A., Shkol'nyj S.I.

ANALYSIS OF THESE MEASUREMENTS OF INTENSITY

OF THE ELECTROMAGNETIC FIELD SFN DVB-T

OF VLADIVOSTOK.....................................................................................43

Soshina N.S., Garasev I. V., Kim A.V.

A MATHEMATICAL MODEL OF THE IMPACT OF PHYSICAL FIELDS OF MINES ON THE HUMAN BODY...........................................57

Nadymov A.V.

THE STUDY OF IMMUNITY OF RADIO COMMUNICATIONS SYSTEMS USING OFDM MODULATION................................................65

OroshhukI.M., Suchkov A.N., Vasilenko A.M.

MONITORING OF SEA SURFACE CORRELATION SPATIAL

FILTER DECAMETER RANGE..................................................................77

RodionovA.Ju., Kulik S.Ju.

FEATURES OF THE APPLICATION OF MULTI-FREQUENCY COMMUNICATION SYSTEM WITH ORTHOGONAL FREQUENCY

DIVISION IN COMMUNICATION CHANNELS WITH FADING...........90

Statsenko V.N.

LIQUID NEUTRALIZATION OF EXHAUSTED GASES FROM ENERGY INSTALLATIONS.....................................................................102

Statsenko L.G., Pugovkina O.A.

PARAMETRIC ANALYSIS OF THE SPLIT RING RESONATOR FOR RADIOLOCATION DESIGN............................................................110

Unru P.P., Statsenko L.G., Rodionov A.Ju.

IMPROVING OF THE SUBMARINE VEHICLES UNDERWATER COMMUNICATION SYSTEMS CHARACTERISTICS BY USING ADAPTIVE ORTHOGONAL FREQUENCY-DIVISION MULTIPLEXING........................................................................................118

Titov P.L., Shhegoleva S.A.

FRACTALITY OF QUASICRYSTALLINE PENROSE TILING CONSTRUCTION PROCEDURE..............................................................124

Burenin A.V., Morgunov Ju.N.

EXPERIMENTAL RESEARCH THE POSSIBILITY OF USING COMPLEX SIGNALS IN THE CIRCUIT OF THE TEMPORARY TREATMENT OF WAVES........................................................................133

Titov P.L., Shhegoleva S.A.

ENTROPIC MEASURE OF ORDER-DISORDER DEGREE

OF CRYSTALLINE AND QUASICRYSTALLINE SYSTEMS

IN THE TREE-GRAPH REPRESENTATION...........................................139

Volkov P.A., Korochencev V.I., Gorovoj S.V., Volkova A.A.

THE STUDY OF THE PROPAGATION OF ELECTROMAGNETIC

WAVES IN THE MINES AND THE MINES............................................154

Strobykin D.S., Morgunov Ju.N.

ACOUSTIC-HYDROPHYSICAL MEASUREMENT COMPLEX

FOR REMOTELY SENSED OBSERVATIONS OF WATER MEDIUM .. 162

Коллектив авторов

ДИСТАНЦИОННЫЕ МЕТОДЫ,

ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА

И АЛГОРИТМЫ В ПРИКЛАДНЫХ

ЗАДАЧАХ ИССЛЕДОВАНИЯ

ПРИРОДНЫХ СРЕД

Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). Отдельные статьи (специальный выпуск)

Режим выпуска «молния»

Выпущено в авторской редакции

Компьютерная верстка и подготовка оригинал-макета И.А. Вершинина Дизайн обложки Е.Б. Капралова Зав. производством Н.Д. Уробушкина Полиграфическое производство Л.Н. Файнгор

Подписано в печать 20.10.14. Формат 60х90/16. Бумага офсетная № 1. Гарнитура «Times». Печать трафаретная на цифровом дупликаторе. Усл. печ. л. 11,25. Тираж 500 экз. Изд. № 2874

ИЗДАТЕЛЬСТВО «ГОРНАЯ КНИГА»

Отпечатано в типографии издательства «Горная книга»

119049 Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, 6, издательство«Горная книга» Телефон (499) 230-27-80; факс (495) 956-90-40; тел./факс (495) 737-32-65 А