CC BY
42
УДК 621.396.13:621.391.814
ИЗУЧЕНИЕ ПРОБЛЕМНЫХ СИТУАЦИЙ В РАЗРАБОТКЕ ПЕРСПЕКТИВНЫХ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ИНФОРМАЦИОННОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ
В.А. Кочумеев, А.Б. Мирманов*, О.В. Стукач
Томский политехнический университет *Казахский агротехнический университет им. С. Сейфуллина, г. Астана E-mail: [email protected]
Рассматривается возможность и перспективность использования видеоимпульсных радиосигналов в перспективных телекоммуникационных системах передачи инклинометри-ческой информации. Оцениваются характеристики системы.
Ключевые слова:
Сверхвысокие частоты, затухание в среде, диэлектрическая проницаемость, передатчик видеоимпульсов.
Введение
Совершенствование существующих телекоммуникационных систем для геофизических исследований является актуальной проблемой. В настоящее время применяется передача данных по кабелю на сверхнизких частотах. Это требует обеспечения мощного высоковольтного электропитания. Длина кабеля не может превышать 800... 1000 м, что в современных условиях явно недостаточно. В настоящее время практически исчерпан возможный потенциал экономии материалов и энергии, проведения традиционных корректирующих и организационных мероприятий. Модернизация и техническое усовершенствование существующей аппаратуры не может решить главных проблем снижения ресурсоёмкости геофизических работ, поскольку ограничением является сам способ передачи данных. Отсюда вытекает актуальность разработки принципиально новых подходов к методологии проектирования и эксплуатации телекоммуникационных систем в геофизике.
Систематизация проблем в проектировании геофизических телекоммуникационных
систем
Отказ от устаревших способов передачи данных и аппаратуры связан с решением крупной системной проблемы, объединяющей технологические и организационные мероприятия. Перечислим проблемные ситуации и связанные с ними противоречия, которые необходимо разрешить.
Новый принцип передачи данных
Передача информации по кабельным каналам хорошо изучена. Конечно, и там остаётся немало нерешённых проблем, но ограничения на длину кабеля делает этот способ малоперспективным для развития. Имеет смысл изучение распространение радиоволн по новому кана-
Кочумеев Владислав Андреевич, аспирант кафедры компьютерных измерительных систем и метрологии Института кибернетики ТПУ.
E-mail: [email protected] Область научных интересов: теория и техника СВЧ, приборы и методы измерения. Мирманов Арман Барлыко-вич, ст. преподаватель кафедры «Радиотехника, электроника и телекоммуникации» Казахского агротехнического университета им.
С. Сейфуллина, г. Астана. E-mail: [email protected]. Область научных интересов: технология цифровой связи. Стукач Олег Владимирович, д-р техн. наук, профессор кафедры компьютерных измерительных систем и метрологии Института кибернетики ТПУ.
E-mail: [email protected] Область научных интересов: теория и техника СВЧ, приборы и методы измерения.
лу связи - буровой трубе. Её можно рассматривать как волновод с запредельными по распространению волн параметрами. Проблема передачи информации через такой канал связи находится в начальной стадии решения.
Новый частотный диапазон
Для рассмотренного канала связи единственно пригодным может оказаться УВЧ-СВЧ диапазон длин волн. Низкие частоты и ультразвук не распространяются по буровой трубе. Существует сильная зависимость вносимого затухания от частоты. Учитывая, что канал связи неоднородно заполнен средами с разной диэлектрической проницаемостью, приёмо-передатчики должны работать в целом спектре частотного диапазона УВЧ-СВЧ. По сути, требуется использование методов сверхширокополосной радиоэлектроники, в которой неприменимы многие классические представления о распространении радиоволн. В настоящее время активно развиваются методы сверхширокополосной радиолокации. Методы передачи данных в сверхширо-кой полосе ждут серьёзных исследований.
Радиофизические исследования (см., например, работы [1, 2]) показывают, что имеет место классическое противоречие между мощностью передатчика и частотой: частота должна быть выше, чтобы получить максимальную мощность передатчика и расположить антенну в трубе и в то же время меньше для снижения затухания в заполняющей среде.
Вид модуляции и форма сигнала
Учитывая высокую вероятность появления неоднородностей в канале связи, влияющих на форму и амплитуду сигнала, необходимо проведение исследований по формированию информационного сигнала. В заполняющей среде напрямую невозможно использование обычных импульсных систем передачи, так как при прохождении видеоимпульсов по каналу связи целостность сигнала будет нарушена. Отношение сигнал-шум для сигналов разной формы в заполняющей среде существенно изменяется [3]. Для передачи данных может использоваться радиоимпульсные и шумоподобные сигналы.
Распространение радиоволн в неоднородной среде с большим затуханием сигнала
Скважина представляет собой запредельный волновод, в котором могут распространяться почти все типы волн. Наличие воды и бурового раствора приводят к резкому возрастанию затухания. Установлено, что затухание зависит от параметров сигнала, диэлектрической проницаемости среды и может изменяться в широких пределах [2].
Сильное затухание было главным препятствием для разработки телекоммуникационных систем в прошлом, поскольку не существовало миниатюрных мощных передатчиков. В настоящее время разработаны мощные приёмопередающие модули на диодах Ганна в диапазоне 110 ГГц [4].
Передающий модуль телекоммуникационной системы
Функционально генераторный модуль на диоде Ганна состоит из двух узлов:
• узла формирования модулирующего сигнала прямоугольной формы;
• волноводного резонатора.
Волноводный резонатор, в который установлен импульсный диод Ганна, образует СВЧ узел. Узел формирования модулирующего сигнала прямоугольной формы предназначен для возбуждения диода Г анна импульсами различной длительности и скважности. Электрическая структурная схема генераторного модуля изображена на рис. 1.
+ 2,5..5 В Узел формирования модулирующего сигнала прямоугольной формы
Сигнал запуска генераторного модуля
Епит. = + 60 В, 35 мА Рис. 1. Структурная схема генераторного модуля
На вход генераторного модуля поступает импульсный сигнал запуска положительной полярности с амплитудой напряжения 2,5...5 В. Длительность и частота следования сигнала запуска генераторного модуля определяют параметры СВЧ импульса. Импульсный сигнал положительной полярности, с амплитудой 15.20 В поступает на СВЧ узел для запуска диода Ганна, генерирующего СВЧ импульс мощностью 5.10 Вт.
Возбуждение СВЧ генератора осуществляется мощными импульсами различной длительности с напряжением до 20 В и током до 25 А. Для стабильной работы СВЧ генератора имеется узел формирования модулирующего сигнала с выходным сопротивлением, составляющим десятые доли Ом (рис. 2).
Рис. 2. Электрическая структурная схема узла формирования модулирующего сигнала
Ограничитель амплитуды обеспечивает стабилизацию амплитуды и длительности выходных импульсов; регулятор амплитуды позволяет стабилизировать амплитуду импульсов возбуждения; стабилизатор напряжения обеспечивает питание ограничителя и входного каскада возбудителя; входной, предоконечный, оконечный каскады образуют импульсный усилитель, нагруженный на диод Ганна.
Конструктивно передающий модуль выполнен на основе волновода 23*10*46 мм (рис. 3). Генераторный диод устанавливается внутри волновода на расстоянии X/ 4 от закороченного края волновода, где X - требуемая длина волны генерируемого колебания.
Рис. 3. Общий вид СВЧ генератора
Технические характеристики модуля:
Рабочая частота, ГГц 9,3-9,5
Выходная импульсная мощность не менее, Вт 15
Длительность импульсов запуска, нс 1000
Ток диода Ганна, А 0,9—1,2
Время установления и спада СВЧ импульса, нс 6.8
Амплитуда импульса запуска ТТЛ
Полярность запускающих импульсов положительная
Напряжение источника питания, В +60
Потребляемый ток не более, мА 30
Заключение
Таким образом, проектирование новой телекоммуникационной системы связано с решением проблем, составляющих следующие области радиоэлектроники.
1. Теория связи.
2. Теория цепей и сигналов.
3. Классическая электродинамика.
Разработанные мощные приёмопередающие модули на диодах Ганна позволяют вновь
вернуться к вопросу о проектировании системы передачи данных на новой элементной и технологической базе.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Авдоченко Б.И. Моделирование повреждений трубопроводов при зондировании субнано-секундными импульсами // Доклады томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. - 2010. - № 2 (22). - Ч. 2. - С. 142- 146.
2. Liu S., Sato M., Takahashi K. Application of borehole radar for subsurface physical measurement // Journal of Geophysics and Engineering. - 2004. - №. 1. - P. 221-227.
3. Zhao A., Jiang Y., Wang W. Signal-to-noise Ratio Enhancement in Multichannel GPR Data via the Karhunen-Loeve Transform // Progress In Electromagnetics: Research Symposium. - Hangzhou, 2005, August 22-26. - P. 754-757.
4. Пушкарев В.П., Титов А.А., Юрченко В.И. Режимные характеристики импульсного генератора на диодах Ганна типа 3А762 // Доклады томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. - 2010. - № 2 (22). - Ч. 2. - С. 138-141.
Поступила 11.04.2012 г.
1G2
