Применение многополюсных рефлектометров специального вида для решения ряда прикладных задач Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 517.957:532.57

П.А. Львов

ПРИМЕНЕНИЕ МНОГОПОЛЮСНЫХ РЕФЛЕКТОМЕТРОВ СПЕЦИАЛЬНОГО ВИДА ДЛЯ РЕШЕНИЯ РЯДА ПРИКЛАДНЫХ ЗАДАЧ

Обсуждаются преимущества статистической калибровки многоканального рефлектомера (МР), особенности МР специального вида, и показывается эффективность их применения для решения различных прикладных задач, таких как измерение соотношения «вода -цемент» в строительных растворах, измерение сверхмалых скоростей на основе эффекта Доплера и построения разнесенных СВЧ-изображений.

Многополюсный рефлектометр, калибровка, многополюсники специального вида, измерение сверхмалых скоростей, разнесенные СВЧ-изображения.

P.A. Lvov SPECIAL CONSTRUCTION MR USAGE IN SOME PRACTICAL APPLICATIONS

The paper outlines some main advantages of statistical calibration procedure for calibrating MR. Also it discusses main features of multiport reflect meters of special construction and show the efficiency of their usage in several practical applications, e.g. water-to-cement ratio measurement for structural concrete samples, very low velocities measurement using Doppler effect and microwave diversity imaging.

Multiport reflect meter, calibration, multiport of special construction, very low velocities measurement, microwave diversity imaging.

Введение

На рис. 1 представлен общий вид СВЧ-измерителя на основе многополюсного

рефлектометра (МР). Генератор Г создает в измерителе СВЧ-колебания a заданной частоты. В процессе своего дальнейшего распространения эти волны отражаются от исследуемого объекта (ИО), создавая информационную волну b. В большинстве приложений интересующим исследователя параметром ИО является его комплексный коэффициент отражения (ККО) Г = b / a. В качестве измерителей к МР подключается

набор датчиков Д\ ... Дм (обычно это квадратичные детекторы мощности). Таким образом, на заданной частоте при исследовании данного объекта, можно получить следующую систему уравнений:

Рис. 1. СВЧ-измеритель на основе МР

и1 = |Аа + в,.ь|2, г = 1, N, (1)

где N - число датчиков; А, и В, - комплексные константы МР, которые определяются в процессе калибровки.

Целью калибровки является как раз определение неизвестных констант А, и В,. Для этого обычно используется набор из К нагрузок с известными ККО, для которых получается, согласно (1), следующая система из NK уравнений с 2(Ы+К) неизвестными:

Ар + вр} 2 + , ( ^ N; ц =1, К, (2)

где Пц - мощность, измеряемая ,-м детектором при подсоединенииц-й нагрузки; Г = bj■ / а ц

- ККО ц-й нагрузки; £ ц - случайные аддитивные ошибки измерения (обусловленные в основном тепловыми шумами детектора и полагаемые нормальными случайными величинами с нулевым средним и неизвестной дисперсией). Таким образом, определение искомых констант происходит в процессе решения системы (2).

Основной проблемой калибровки является требование о точном знании значений ККО подключаемых нагрузок. Прецизионные нагрузки, у которых ККО известен с достаточной точностью, чрезвычайно дорогостоящи, и для большинства областей возможного использования МР недоступны. В связи с этим, в литературе очень большое внимание уделяется именно проблеме калибровки и поискам пути ее проведения с помощью обычных широко распространенных нагрузок. Предлагаемые методы, в основном, основаны на составлении отношений из измеряемых мощностей (то есть, из уравнений вида (1)), когда один из измерительных портов (например, первый) полагается опорным, и все показания мощностей с остальных портов рассчитываются относительно него:

и \А.а + ВЪ\2 \ОГ +12 -

= 5. = --—1— = к.М-1_, г = 2, N, (3)

Р( и |Да + Щ2 ^Г +^ , , ()

где к, = AІ|A1 - действительные числа; Qi = В[/В1 - комплексные числа. Далее

проводится замена переменных

с„ = к^2 - р, |й|\

с,2 = 2к,Ке(в,)- 2р.ЯеЙ), (г = 2,N)

С.3 = 2к, 1т((),)+ 2 р, 1т(а)

и система (3) приводится к виду

С • х = Ь

( bi = р{ - к, - элементы вектора Ь) относительно нового набора неизвестных

х = [|Г|2, Ие(г), 1ш(г)]Г. (4)

Если число уравнений в системе (3) не меньше четырех, то она может быть решена по методу наименьших квадратов. Ее решение имеет вид X = (СС)-1 СтЬ , где Т и -1 обозначают соответственно операции транспонирования и нахождения обратной матрицы.

Однако данный подход имеет ряд существенных недостатков [4]. Вкратце, основными из них являются пренебрежение ошибками измерения значений мощности и, и существующее нелинейное ограничение на компоненты вектора х в (4). Эти недостатки существенно снижают потенциальную точность калибровки, и, следовательно, последующих измерений.

Более перспективным и свободным от этих недостатков является статистический метод, подробно изложенный в работах [2, 3]. Согласно этому подходу, математическая модель МР описывается следующими уравнениями, которые получаются из (2):

u, =

A a,. + \Bb,

+ 21д ajB( bj I c°s (у( +фj ) + £,., ( =1N;j =1,K,

где у( = arg (B(/A ); ф, = arg (/a,). После проведения замены переменных

X(1 = A2 +г 2 b2

qu = a,

X2 = 24щ соз V,-, 42і = ^ ^ ф;, ( = 1, N; 7 = 1, К)

X3 = 24Щ ^п V,, 4зі = -а2 віп фі,

система уравнений (3) может быть представлена в матричном виде

и=ХО+2.

Дальнейшее решение этой системы основано на разложении матрицы и по сингулярным числам. Подробнее процесс решения рассмотрен в [2, 3].

В данной статье пойдет речь о применении многополюсников специальной конструкции: многозондовой измерительной линии (МИЛ, рис. 2 а) и комбинированном многополюсном рефлектометре (КМР, рис. 2 б).

Рис. 2. Многополюсники специального вида: а - многозондовая измерительная линия (МИЛ); б - комбинированный многополюсный рефлектометр (КМР)

Особенностью МИЛ является то, что датчики имеют очень слабую связь с полем внутри МИЛ и почти не искажают его картину (из-за их малых собственных коэффициентов отражения). Вследствие этого, на выходе каждого датчика сигнал получается очень слабым (порядка микровольт), что является препятствием для создания прецизионных измерителей на основе МИЛ и вместе с тем позволяет считать характеристики датчиков с хорошей точностью квадратичными. Расстояния d1 - dN от исследуемого объекта до датчиков полагаются точно известными. При сделанных предположениях математическая модель МИЛ может быть записана в виде:

u(, =а ia 21+Г, +2Г,cos (ф, - 4ndi/ х)Й,, (i =1N;j =1, K) (5)

где аі - коэффициенты передачи датчиков; 4ndJX = у,, X - длина волны генератора.

Из-за меньшего количества неизвестных в (5) возможно провести калибровку МИЛ по набору нагрузок с неточно известными параметрами отражения [4] (то есть, без использования калибровочных стандартов).

КМР имеет 2N датчиков, причем половина из них имеет свойства датчиков МИЛ (слабо связана с полем внутри рефлектометра), а другая половина - свойства датчиков МР. При этом часть КМР, представляемая в виде МИЛ, калибруется по неизвестным нагрузкам (с одновременным определением их параметров, аттестацией) [З], а затем другая часть калибруется как МР по данным, уже известным, нагрузкам. Таким образом, КМР приобретает возможность калибровки по неизвестным нагрузкам, а с другой стороны, имеет более высокую точность измерения по сравнению с МИЛ.

Перейдем теперь к непосредственному рассмотрению результатов применения МР.

Применение МИЛ для измерения соотношения «вода - цемент» в строительных растворах. Строительные растворы на основе цемента являются одним из важнейших материалов в современной строительной индустрии. Прочность конструкций из полностью спрессованного бетона в основном определяется соотношением «вода -цемент» (ВЦ) в используемом растворе. Если зафиксировать остальные факторы, то

прочность бетона снижается. Кроме этого, бетон с более низким отношением ВЦ быстрее затвердевает. В настоящее время для определения этого отношения существует метод, основанный на анализе химического состава свежего бетона [6], однако он требует сложного оборудования и достаточной квалификации

оператора установки.

С другой стороны, наличие влаги в веществе оказывает большое влияние на характер распространения электромагнитных колебаний, и поэтому можно достичь существенных результатов при применении СВЧ-методов для решения данной проблемы.

Выбор датчика СВЧ. Сначала необходимо выбрать подходящий тип микроволнового датчика. В [6] установлено, что измерение отношения ВЦ может быть проведено на основе определения диэлектрических характеристик полужидкостного раствора (которым, по существу, и является сырой бетон). Для подобных измерений хорошо подходят двухполюсные антенные датчики; схема типичного двухполюсного датчика показана на рис. 3. Электрические характеристики датчика меняются при изменении его длины, геометрии коаксиальной линии, частоты СВЧ-сигнала и диэлектрических свойств окружающей среды. Результаты измерений комплексного коэффициента отражения (ККО) волны при помещении датчика в смеситель сравниваются с результатами измерений ККО при пустом смесителе. Очевидно, что такие измерения легко провести прямо на месте с получением нужных данных в режиме реального времени. В ходе экспериментов было установлено, что частота 3 ГГц являлась оптимальной с позиции чувствительности датчика, поэтому измерения проводились в основном на этой частоте.

Диэлектрическая модель смешивания. Большинство существующих в настоящее время моделей используют представление эффективной диэлектрической постоянной смеси в комплексной форме eeff = e'ef - jeJf, где ef характеризует способность смеси

сохранять электрическую энергию (например, свойство поляризуемости), а ef -

ослабление амплитуды электромагнитных волн при прохождении через вещество. Для определения диэлектрической постоянной смеси можно использовать формулу Максвелла - Г арнета:

eeff = ebase (l + V(l - a)/ a = fadd (eadd - ebase )/(eadd + 2ebase ), (6)

Рис. 3. Двухполюсный датчик

где Ъъавв и £айй — диэлектрические свойства основного материала и добавок соответственно, а — объемная доля добавок (0 <ил < 1). В данном случае мы примем воду за основной

компонент, а цемент будем рассматривать в качестве добавок. Из этой формулы

становится очевидно, что при известных диэлектрических характеристиках воды и цемента, можно легко определить

требуемое значение Диэлектрическая постоянная для воды была измерена авторами [6], и там же было проведено исследование ее зависимости от частоты; в данной работе мы воспользуемся полученными ранее результатами. Измерение ККО цемента на частоте 3 ГГц по технологии, описанной в [7], дало значение вг = 3,398—/-0,065. Измерение последнего из требуемых параметров -диэлектрической проницаемости водосодержащей смеси, было проведено на той же частоте для соотношений «вода — цемент» 0,35-0,6 с шагом 0,05 и проведено сравнение с вычислением по формуле (6). Меньшие значения отношения «вода — цемент» (0,35 и 0,4) на практике не используются, так как раствор получается слишком сухим. Для всех оставшихся значений диэлектрические коэффициенты были измерены с относительной погрешностью не более 5%.

Проектирование двухполюсного измерителя. В работе [7] в качестве подобного измерителя предлагалось использовать векторный анализатор цепей в сочетании с калибровочным набором НР8516А, рыночная стоимость которого колеблется в пределах 50-60 тыс. долл. США. Измерительная схема для этих устройств приведена на рис. 4. Стоимость установки, а также ее размеры устанавливают существенные ограничения для применимости этого измерителя на большинстве строительных площадок. В связи с этим, предлагается создать недорогой специализированный аналог вместо использования универсального измерителя. Одна из конструкций такого измерителя может быть осуществлена на основе многополюсного рефлектометра (МР). Чтобы одновременно определить амплитуду и фазу отраженного сигнала с помощью МР, требуется использование двух направленных ответвителей (НО), но в условиях данной задачи достаточно знания одной только амплитуды. Следовательно, можно обойтись только одним НО. Однако данный подход также не лишен некоторых недостатков. Во-первых, для получения удовлетворительной точности НО должен обладать высоким коэффициентом направленности (~ 40 дБ). Стоимость подобного устройства составляет не менее 3 тыс. долл. США. Во-вторых, необходимость использования амплитудного детектора ограничивает величину выходного сигнала сверху несколькими десятками милливольт, что заставляет применять дополнительные усилители, либо использовать более мощный зондирующий сигнал. Последнее может потребовать специальной аттестации и проверки генератора на безопасность для персонала.

Предлагаемый измеритель. В связи с этим для решения поставленной задачи предлагается применить измеритель, основанный на многозондовой измерительной линии (МИЛ), которая является частным случаем МР, но имеет ряд конструктивных упрощений.

Рис. 4. Измерительная установка для измерений коэффициента отражения однополюсного датчика

Теория повышения

точности МИЛ в волноводном и коаксиальном исполнении за счет использования

избыточного числа датчиков в достаточной степени

разработана авторами [5], и мы не будем здесь уделять ей внимания. Конструкция

измерителя на основе МИЛ приведена на рис. 5.

0,65

о ио

0,55

0,50

0,45

0 40

Измеритель н.1 основе КОМОНШЦЮВПННОГО ]МР Измеритель на основе рефлектометра с НО

: мг/сіи*

- /*

-

- і у ї

_ А/

і

- Ы'/с)

- : 1 . 1. X 1. 1. і. _ і і_ і і ^... .. ііі

0.40

0,45

0,50

0,55

Нагрузочная

плоскость

0 о0

0,65

Рис. 5. Структурная схема измерителя отношения В/Ц на основе МИЛ: В - вычислитель; ПСД - плата сбора данных

Следует отметить, что вычислитель (компьютер) нужен только в процессе калибровки измерителя, которую можно провести только один раз в лаборатории с целью установления зависимости между соотношением «вода — цемент» в исследуемых образцах и ККО используемого измерителя. А далее время от времени уточнять ее.

Желательно расположить датчики МИЛ на оптимальных расстояниях друг от друга [5], равных Дd = к Х0/(2^), где Х0 — длина волны в тракте МИЛ, соответствующая частоте зондирующего сигнала / = 3 ГГц, к — произвольный множитель, не равный числу, кратному N/2. В этом случае вычислительная сложность процесса значительно уменьшится из-за ортогональности матрицы плана эксперимента, и таким образом можно упростить процедуру вычислений. Типичные результаты измерения соотношения ВЦ показаны на рис. 6, где дано сравнение двух методов измерения: предлагаемого автором и известного.

Рис. 6. Результаты измерения соотношения ВЦ для двух типов измерителей

КМР в конструкции радара для измерения малых скоростей на основе эффекта Доплера. В конструкции

некоторых систем, таких как автопилот, обязательным элементом является радар с высокой точностью определения скоростей перемещения и дальностей окружающих объектов. В этих случаях для определения скорости движущейся цели обычно используется эффект Доплера. В [8] было проведено исследование этого эффекта применительно к системам обнаружения и определения дальности, а также разработана соответствующая конструкция радара. Для доплеровского радара наиболее важной является информация о фазе сигнала и ее зависимости от времени при движении цели. В конструкции обычного доплеровского радара сигналы генерируются передатчиком и распространяются при помощи антенны. Часть испускаемых волн отражается от цели в обратном направлении и улавливается при помощи антенны-приемника. А затем происходит ее гетеродинирование с испущенным сигналом, в результате чего получается частота доплеровского сдвига, после чего вычисляется скорость движущегося объекта. Данная схема имеет ряд недостатков, среди которых можно особо выделить фазовый шум из-за неидеальной изолированности входов в микшере и погрешностей быстрого преобразования Фурье, а также отсутствие данных о направлении относительной скорости. Эти недостатки препятствуют дальнейшим возможностям улучшения конструкции радара.

Авторы [9] для вычисления доплеровского сдвига предлагают использовать двенадцатиполюсный волновой коррелятор. Поскольку волновой коррелятор на основе многополюсника определяет векторное соотношение между входными сигналами напрямую по измерениям напряжения, то это позволяет избавиться от дорогостоящих циркулятора и микшера, которые характерны для традиционной конструкции доплеровского радара. Однако компьютерное моделирование показывает большую (порядка десятков процентов) флуктуационную ошибку в единичных измерениях скорости одного и того же объекта. Это заставляет авторов делать большое количество однотипных измерений, чтобы избавиться от нее. Следовательно, серьезно уменьшается быстродействие всей установки в целом. Такие результаты обычно происходят потому, что калибровочные параметры многополюсника определены с большими погрешностями.

Далее будет показано, что использование КМР и более точной процедуры калибровки позволяет значительно снизить флуктуационную ошибку и, таким образом, повысить точность и увеличить быстродействие установки.

Доплеровское оценивание скорости. Схема доплеровского радара на основе КМР показана на рис. 7. Передаваемый сигнал частотой / испускается передатчиком. Если цель движется относительно радара, то получаемый приемником отраженный сигнал смещен по частоте. Величина сдвига определяется из соотношения

объект

0“

МР

Д. д,

мил

д д

“им___П»

|«і

а2

<

Д/ = —/,

с - V

скорость света; V

(7)

Йгї

псд

-{пк

Рис. 7. Схема доплеровского радара на основе КМР

где с - скорость света; V - скорость тела в направлении радара. Эта скорость берется со знаком «+», если цель приближается, и «—», если удаляется. Таким образом, испускаемая и принимаемая волны имеют уравнения

а = а И(2/+<ф),

а2 = |а2 \в] (2(/+Л/ )шр2),

где ф1 и ф2 — фазы испускаемой и принимаемой волн соответственно.

Комплексное отношение этих волн

соответственно имеет вид

где Аш = 2лА/ и Аф = ф2-ф1. Очевидно, что если фаза отношения Ж есть аг§ Ж, то

и если с получим

<< V, то из (7)

V =

_ с с/[ат§\У)

4п/ Ж

Из этого уравнения, очевидно, можно определить относительную скорость объекта посредством измерения фазы между испускаемым и принимаемым сигналами.

Результаты компьютерного моделирования. Если объект движется достаточно быстро, то ошибка в вычислении скорости будет незначительной. Авторы сталкиваются с проблемой больших погрешностей определения частотного смещения в том случае, если скорость движения объекта незначительная (порядка 1 мм/с). Подобные случаи характерны для движения крупных объектов. Типичные результаты измерений [9] приведены на рис. 8 а.

В ходе моделирования нами использованы те же значения скорости движения объекта (±0,2 мм/с, ±0,6 мм/с и 0 мм/с). Отношение Ж измерялось каждые 2 секунды при общем времени измерений порядка 40 секунд. Результаты измерений изображены на рис. 8 б. Сравнение характерных результатов измерения приведено в таблице.

Сравнительные результаты моделирования

Скорость, мм/с Расчетная скорость, мм/с Ошибка, % Стандартное отклонение, мм/с

Новые Исходные Новые Исходные Новые Исходные

0 0 0 - - 4 • 10-9 0,014

+0,2 0,1995 0,193 0,25 3,5 7,2-10-5 0,052

+0,6 0,598 0,575 0,33 5,5 0,0009 0,055

-0,2 -0,197 -0,189 1,5 4,2 0,00014 0,137

-0,6 -0,601 -0,570 0,17 5,0 0,00083 0,141

Использование многополюсника в конструкции доплеровского радара позволяет исключить циркулятор и микшер, необходимые для измерения фазы. Результаты данной работы показывают, что использование комбинированного МР и процедуры его точной калибровки позволяет значительно повысить точность единичных измерений установки для малых скоростей движения объектов. Это, в свою очередь, позволяет значительно снизить время оценивания и соответственно повысить быстродействие системы в целом. Моделирование показывает, что можно успешно измерять скорости порядка 1 мм/с и менее с погрешностью в несколько процентов за время порядка нескольких секунд. Таким образом, использование многополюсника в доплеровском радаре значительно повышает границы его применимости в случаях измерения очень малых скоростей движения больших объектов, а также в случаях измерения вибраций объектов за счет большего быстродействия.

Использование КМР в системах разнесенного СВЧ-

изображения. Если

идеальный проводящий выпуклый объект

облучается плоской

монохроматической волной, то в оптическом приближении

нормированное по

дальности рассеиваемое поле этого объекта и его характеристическая функция связаны парой преобразований Фурье (ПФ). Это соотношение

Рис. 8 а. Результаты измерений по схеме на основе анализатора цепей

Е

£

>

о.е

0,6

ОА

0.2

О

-0.2

-0,4

-0.6

-0,8

■ V' 1 1

1 1 3 2 3 3 ...... ..

и А

-ег"1 |

Ч'А

называется

Боярского

получения

количества

тождеством

[10]. Для

большего данных о

Рис. 8 б. Результаты измерений по схеме на основе МИЛ

рассеянии объекта при Фурье-преобразовании, были методы разнесения по частоте и углу с использованием векторного анализатора цепей. После того, как проведено измерение достаточного количества данных в Фурье-области, двухмерное обратное ПФ дает плоскую проекцию изображения рассеивающего объекта.

Авторы [11] в качестве дешевого высокочастотного аналога векторного анализатора предлагают использовать двенадцатиполюсный рефлектометр. В процессе предлагаемого ими метода калибровки, эталонный объект располагается на установочное устройство при помощи калибровочной схемы. Эксперименты по построению разнесенных изображений проводились для двух типов объектов: металлического цилиндра и четырех различных линейных рассеивателей. Частота генератора устанавливалась в пределах 8-12 ГГц.

Методика построения разнесенных изображений на основе СВЧ. Если идеальный проводящий объект облучается плоской монохроматической волной, которая распространяется в направлении 1к, то поле его рассеяния, нормированное по дальности, в оптическом приближении может быть выражено как [10]:

Р(Р)_ ]

'1р„:.0 ( " V1Р' * (Г ),

р 2урк

где р _ -2к1к _ р1р, к _ 2п//с, " - вектор внешней нормали к поверхности объекта S(r), а

поверхностный интеграл берется по облучаемой части объекта. Складывая р(р) и р*(-р), измеренное с обратной стороны объекта, и используя теорему Гаусса, можно получить следующее выражение:

(8)

г(р) _ 'Щ- [р(р)+р* (- р)] _ |Кг-;Р-ГЖг ■.

где у(г) - характеристическая функция объекта В, которая равна 1, если г находится в области В, и 0 в противном случае. Уравнение (9) называется тождеством Боярского. Оно показывает, что рассеивающий объект В может быть восстановлен по его полю рассеяния, измеренному под всеми углами наблюдения и на всех частотах, путем обратного ПФ. Восстановленное изображение имеет внутри объекта единичную интенсивность (согласно определению у(г)).

Практически (8) означает, что данные р(р)/^, полученные из одного положения приемника, при изменении частоты в СВЧ-диапазоне пропорциональны одномерному дискретному ПФ от «светящихся» (то есть не гладких) точек на облучаемой поверхности отражающего объекта в направлении обзора 1р [12]. Поэтому, изменяя частоту и угол обзора, измеряя р(р)/^, можно получить набор одномерных проекций «светящихся» точек объекта. По теореме о кусочном проектировании, двумерное обратное ПФ от данных р(р)/^ дает нам картину расположения особых точек облучаемой поверхности объекта. Очевидно, что при построении разнесенного СВЧ-изображения при использовании векторного анализатора цепей можно напрямую измерять и амплитуду, и фазу рассеиваемого излучения.

Рис. 9. Схема установки для построения разнесенных изображений на основе двенадцатиполюсника (а); измерительная часть схемы на основе КМР (б)

Использование рефлектометра. Как уже отмечалось ранее, авторы [11] предлагают использовать двенадцатиполюсный рефлектометр в качестве аналога векторному анализатору цепей. Схема установки для построения разнесенных изображений приведена на рис. 9 а. Безэховая камера обеспечивает облучение района установочного устройства плоской электромагнитной волной (в малом объеме моделируется открытое пространство). Передатчик и приемник располагаются рядом друг с другом на расстоянии около 15 см, что согласуется с предположением обратного рассеяния. Основной и побочный отражатели имеют диаметры примерно 2 и 0,9 м. Частота изменяется в пределах 8-12 ГГц. Если произвести точную калибровку многополюсного рефлектометра, то использование анализатора цепей НР8510В вкупе с многополюсным рефлектометром перестанет быть необходимым условием получения достаточной точности. С другой стороны, не совсем очевидна цель использования многополюсного рефлектометра вместе с анализатором цепей, поскольку они решают сходные задачи.

В данной статье предлагается заменить пару анализатор цепей - рефлектометр на КМР. Это значительно снижает стоимость всей установки и дает не худшие результаты. Передающая антенна через усилитель на ЛБВ связана с генератором сигнала, а приемник подключается к КМР.

Отраженный сигнал улавливается приемником и проходит через КМР. Измеряемые значения мощности через плату сбора данных (ПСД) попадают в ПК через параллельный порт. Результаты моделирования процесса измерений приведены на рис. 9. Там же приведены оригинальные результаты экспериментов с использованием рефлектометра и анализатора цепей. Исследуются два типа объектов: металлический цилиндр и четыре расположенных в разных точках линейных отражателя. Параметры объектов указаны на рис. 10. Угол обзора цилиндра изменяется в пределах от 0 до 360° для 60 различных положений. Для линейных объектов угол меняется в пределах от 0 до 90° для 50 различных положений.

диаметр: 25,4 см длина: 9?. см

*\

ири линии ьнан расстановка

на ш я

расстановка

• *

диаметэ: Зсм длина: 'иь см

б

Рис. 10. Результаты моделирования: а - исследуемые объекты; б - оригинальные результаты; в - результаты с использованием КМР

а

в

Как видно из рисунка, в случае использования КМР изображение получается более четким, чем при использовании исходной схемы. Кроме того, за счет исключения анализатора цепей, стоимость установки значительно снижается.

Заключение. В данной статье были рассмотрены различные применения многополюсников специального вида для решения ряда прикладных задач. Статистические методы калибровки в совокупности с использованием многополюсников специального вида, обладающих более высокой точностью измерений, с одной стороны, и гораздо более слабыми требованиями к калибровочному оборудованию, с другой, показывают высокую эффективность при решении различных задач, что позволяет видеть значительный потенциал их дальнейшего применения. В будущем планируется доработать и улучшить уже рассмотренные применения, а также поиск других приложений, в которых возможно использование данных технологий измерения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Engen G.F. Application of an Arbitrary Six-Port Junction to Power Measurement

Problems / G.F. Engen, C.A. Hoer // IEEE Trans. on Instr. and Meas. 1972. Vol. 21. P. 470-474.

2. Статистический подход к проблеме измерения параметров СВЧ-двухполюсников

с помощью многополюсника / А. А. Львов, А. А. Моржаков, Ю.Ю. Кудряшов,

Л.В. Галкина // Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ. 1989. Вып. 8 (422). С. 5763.

3. Львов А.А. Автоматический измеритель параметров СВЧ-двухполюсников на основе многополюсника / А. А. Львов // Измерительная техника. 1996. № 2. С. 10-12.

4. Львов П. А. Статистический метод решения нелинейных уравнений

многополюсного рефлектометра и его применение для измерения расстояния до поверхности / П. А. Львов // Доклады Академии военных наук. 2007. № 1. С. 92-100.

5. L’vov A.А. Optimization of a Multiprobe Transmission Line Reflectometer and Optimal Control of Measurement Process / A.А. L’vov, А.А. Moutchkaev // Proceedings of Engineering and Research and DECUS NUG Seminar. San Francisco, 1996. Р. 33-37.

6. Nondestructive Testing of Concrete Elements and Structures / Amer. Soc. Civil Engineers // Proc. Structures Congress. San Antonio. Texas, 1992. Р. 120-130.

7. Ulaby F.T. Microwave Remote Sensing: Active and Passive / F.T. Ulaby, R.K. Moore, A.K. Fung // Norwood. MA: Artech House, 1986. Vol. 3. P. 2017-2025.

8. Skolnik M.I. Introduction to Radar Systems / M.I. Skolnik; 2nd ed. New York: McGraw-Hill, 1980. 854 р.

9. Xiao F. Application of a Six-Port Wave-Correlator for a Very Low Velocity Measurement Using the Doppler Effect / F. Xiao, F.M. Ghannouchi, T. Yakabe // IEEE Trans. On Instr. Meas. 2003. Vol. 52. № 2. Р. 297-301.

10. Lewis R.M. Physical optics inverse diffraction / R.M. Lewis // IEEE Trans. Antennas Propagat. 1969. Vol. AP-24. Р. 308-314.

11. Lu H.C. Microwave diversity imaging using six-port reflectometer / H.C. Lu, T.H. Chu // IEEE Trans. Microwave Theory Tech. 1999. Vol. 47. № 1. Р. 84-87.

12. Chu T.H. On microwave imagery using Bojarski’s identity / T.H. Chu, D.B. Lin // IEEE Trans. Microwave Theory Tech. 1989. Vol. 37. Р. 1141-1144.

Львов Петр Алексеевич - Lvov Pyotr Alekseyevich -

аспирант кафедры Post-graduate Student of the Department

«Системы искусственного интеллекта» of «Systems of Artificial Intelligence»

Саратовского государственного of Saratov State Technical University

технического университета

Статья поступила в редакцию 16.11.09, принята к опубликованию 25.03.10