CC BY
35
Рис. 10. Градуировочная характеристика для двухпараметрового контроля свойств диэлектрических пластин
Научная новизна данного исследования заключается в том, что впервые проведена количественная оценка степени влияния параметров внешнего образца (с, h и е) на резонансную частоту круглого и прямоугольного микрополоскового резонатора.
Практическая значимость: результаты исследований могут быть использованы при создании измерительной установки для неразрушающей диагностики полупроводников и диэлектриков.
В заключение следует отметить, что дальнейшие исследования в целях выбора оптимальной формы и геометрических размеров резонаторов могут позволить повысить чувствительность и расширить диапазон измеряемых величин.
Литература: 1. Гордиенко Ю.Е., Бородин Б.Г., Рябухин А.А. Фотомодуляционная СВЧ диагностика полупроводниковых структур //Радиотехника. 1999. Вып. 111. С. 7-13. 2. Бородин Б.Г., Абу Анзех Ияд, Ананьин В.В. Техника
УДК 621.396 "
ЗАСТОСУВАННЯ КОРЕКЦІЇ
КОНСТАНТИ РАДАРА
НЕКОГЕРЕНТНОГО РОЗСІЯННЯ ДЛЯ
УТОЧНЕННЯ РЕЗУЛЬТАТІВ
ВИМІРЮВАНЬ ЕЛЕКТРОННОЇ
КОНЦЕНТРАЦІЇ ІОНОСФЕРНОЇ
ПЛАЗМИ
ПУЛЯЄВ В.О., ЛИСЕНКО В.М._____________
Розглядається можливість покращання якості обробки даних при визначенні електронної концентрації іоносферної плазми за допомогою радіолокаторів некогерентного розсіяння. При цьому пропонується методика аналізу потужності космічних шумів для корекції нестабільних значень константи радіолокатора.
Вступ
Іоносфера Землі чутливо реагує на зміни в її геофізичних оболонках - літосфері, атмосфері, магнітосфері при впливі на них різних природних та антропогенних
РИ, 2007, № 2
микроволнового контроля в полупроводниковом материаловедении // Радиотехника. 2002. Вып. 130. С. 225-234. 3. Tabib-Azar M., Pathak P.S. Nondestructive superresolution imaging of defects and nonuniformities in metals, semi-conductors, dielectrics, composites, and plants using evanescent microwaves // Review of scientific instruments. Vol. 70. № 6. 1999. P. 2783-2792. 4. Tabib-Azar M., Katz J.L., LeClair S. R. Evanescent microwaves: a novel super-resolution noncontact nondestructive imaging technique for biological applications // IEEE transactions on instrumentation and measurement. 1999. No. 6. Vol. 48. P. 1111-1116. 5. Беляев Б.А., Лексиков А.А., Тюрнев В.В. Микрополосковый метод исследования диэлектрической проницаемости на сверхвысоких частотах // Приборы и техника эксперимента. 1995. С. №5. 123-129. 6.
Bernard P.A., Gautray J.M. Measurement of dielectric constant using a microstrip ring resonator // IEEE transaction on microwave theory and techniques. 1991. Vol. 39, No. 3. P. 592-595. 7. TanC. Y., OngC. K. Nondestructive microwave permittivity characterization of ferroelectricthin film using microstrip dual resonator // Review of scientific instruments. 2004. Vol. 75, № 1. P. 136-140. 8. Микроэлектронные устройства СВЧ: Учебное пособие для радиотехнических специальностей вузов / Под ред. Г.И. Веселова. М: Высшая школа. 1988. 280 с.
Поступила в редколлегию 18.05.2007
Рецензент: д-р физ.-мат. наук, проф. Аркуша Ю.В.
Бородин Борис Григорьевич, канд. техн. наук, доцент кафедры МЭПУ, ХНУРЭ. Научные интересы: Неразрушающий радиоволновый контроль параметров материалов и сред, инфракрасная техника. Адрес: Украина, 61166, Харьков, пр. Ленина, 14, тел. 702-13-62.
Ананьин Виктор Владимирович, аспирант кафедры МЭПУ, ХНУРЭ. Научные интересы: СВЧ диагностика сред, приборы и устройства на основе высокодобротных резонаторов СВЧ диапазона. Адрес: Украина, 61166, Харьков, пр. Ленина, 14, тел. 702-13-62.
чинників. Спостереження за висотно-часовими параметрами іоносфери, зокрема за такими, як електронна концентрація Ne(h,t), електронна Te(h,t) та іонна T i(h,t) температури у широкому діапазоні висот h = 80 - 1500 км дають великий обсяг геофізичної інформації при змінах “ космічної погоди” [1]. Ця інформація необхідна для аналізу стану сонячно-земних зв’язків, розробки іоносферних моделей, забезпечення надійного функціонування чутливої апаратури, яка застосовується на наземних та космічних об’єктах.
Найбільш інформаційним методом, який дозволяє одночасно одержувати велику кількість параметрів, є метод некогерентного розсіяння (НР) радіохвиль [2]. Він реалізується за допомогою унікальних установок - радарів некогерентного розсіяння, яких у світі всього вісім. Для отримання таким радаром абсолютних значень Ne(h,t) необхідна додаткова періодична калі-бровка виміряних даних за допомогою іонозонду. Період калібровки звичайно складає біля 15 хвилин. Однак при наявності сильних спорадичних шарів Es, під час сильних іоносферних збурень, при поломці іонозонду необхідно вимірювати електронну концентрацію за його відсутності. При відомих способах [2 -
13
5] похибка вимірювань стає неприпустимо великою і досягає 10 - 20 %.
Метою даної роботи є розширення можливостей радару некогерентного розсіяння з вимірювання часових залежностей електронної концентрації за умови, що період калібровки за допомогою іонозонду значно збільшується (до одного разу на місяць чи рік). В результаті значно підвищується вірогідність вимірювань іоносферних даних яку магнітно-спокійних умовах, так і під час іоносферних збурень.
В зв’язку з цим метод зменшення похибки вимірювань електронної концентрації, що пропонується в роботі, є актуальним.
1. Постановка задачі досліджень
Абсолютні значення висотного розподілу Ne(h) розраховуються за виразами [2, 4]:
N = <h> - N = №|,орм ♦ NeF2, (1)
де
Ne(h)
с Тнорм
Ne(h)
Ne(hF2)
Ps(h)-h2 •[!+Te(h)/T(h)] Ps(hF2)• hF22 -[1+Te^XT^)]’
Як можна бачити, для її розрахунку потрібні результати оцінки параметрів іоносфери, які за допомогою радіолокатора НР ми маємо з висоти максимуму шару
F2, а також обчислене іонозондом значення f№2.
Недоліком методики є те, що в реальності величина Cp час від часу змінюється, і це призводить до непередбачених похибок. Для перевірки константи треба повторне включення іонозонду. Однією із причин нестабільності величини Cp є зміна режимів роботи приймальної системи радіолокатора через нестабільність температури навколишнього середовища, напруги живлення, параметрів радіокомпонентів тощо.
Із запропонованих виразів видно, що для вирішення поставленої задачі потрібна методика корекції константи радара, яка використовує додатковий параметр, не пов’язаний з критичною частотою. Таким параметром може бути стала часової залежності потужності космічних шумів, котра вимірюється паралельно з потужністю НР сигналу у кожному сеансі вимірювань. Однак параметри космічного шуму вимірюються на фоні апаратних шумів радара НР.
Ne(hF2)= NeF2 = 1.24-1010 • fN2,fN - критична частота шару F2, яка визначається за допомогою іонозонду; Ne(hF2) - максимальне значення електронної концентрації шару F2; hF2 - висота головного максимуму шару F2; Ps(h) - висотна залежність потужності некогерентно розсіяного сигналу.
Згідно з виразом, наведеним в [2],
Ps(h) = Ср •
N е (h) • a(h) h2
(2)
де Ср - постійна пропорційності, що залежить від параметрів радіолокатора; o(h) - висотна залежність ефективного поперечного перерізу розсіяння на електрон радіусом re. Величину a(h) в метровому діапазоні хвиль можна звести до відношення температур заряджених часток іоносферної плазми, тобто
o(h) =
о e
1 + Te(h)/Ti(h) .
Тут оe приймається за величину 4п ■ r2 = 1 ■ 10 28 (м2).
Звідси отримуємо, що вимірювана електронна концентрація є
хт „ч Ps(h) • h2 • [1 + Te(h)/Ti(h)]
Ne(h) =-^--------eW iV n . (3)
CP
Значення Cp , яке приймається за константу радіолокатора, визначається в одному із сеансів в еталонний (ЕТ) час за формулою
С _ Ps(hF2)ЕТ
СР -----------
• (hF2 ЕТ )2 • [1+Te(hF2)ЕТ /Ті^Р2)ет ]
1.24 -1010 . (fNF2ЕТ)2
Потрібно запропонувати алгоритм корекції розрахованої заздалегідь (при роботі іонозонду) константи радара за допомогою визначеної в потрібний період часової залежності потужності шуму на виході радіоприймального пристрою радару НР.
2. Аналіз складових шуму на вході радіолокатора
Особливість методу НР полягає в тому, що діючі імпульсні установки, хоч і мають мегаватові передавачі, одержують енергію розсіяння дуже малу. В результаті вони використовують радіоприймачі з чутливістю до вхідного сигналу Ps+n (h) на рівні одиниць і навіть частин мікровольт. Це призводить до того, що в системі обробки, окрім складових Ps(h), що характеризують сигнал розсіяння, реєструються безліч складових квазістаціонарних шумів PN(h) різної природи [5].
Алгоритми обробки, накопичуючи абсолютні значення потужності шумів на кінцевому інтервалі Ah радіолокаційної розгортки дальності (де сигнал НР практично відсутній), використовують ці дані для оцінки статистичних характеристик сигналу розсіяння. З цією метою приймається [7], що рівень шумів протягом сеансу (декілька хвилин) постійний, тобто має одне і те ж значення на протязі всієї розгортки дальності. А значить, враховуючи його адитивний характер, його можна відняти від суміші Ps+n (h) сигнал+шум в операціях знаходження висотного розподілу Ps (h).
Розглянемо, яку інформацію несе в собі ряд усереднених в кінці розгортки шумів Pn (ti = Ah/), якщо проаналізувати їх значення в кожному сеансі та розгляну-
14
РИ, 2007, № 2
ти складові на протязі доби, представивши їх для наочності у графічному вигляді.
Як відомо з ряду публікацій, де відображена спе-
цифіка роботи радіолокаторів НР [3 - 7], фоновий шум обумовлено впливом зовнішніх і внутрішніх факторів. До зовнішніх факторів відноситься світіння (шум) неба, що визвано періодичною, від доби до доби, появою в зоні діаграми спрямованості антени одних і тих же сигналів від радіоджерел, якими є зоряні скупчення. Коли цей шумовий потік падає з простору на приймальну антену, залежно від напрямку (або від часу доби при одному напрямку) скупчення дають внесок від одиниць до декількох сотень градусів ефективної шумової температури
TN(t) = PN(t)/(k • AF), де k = 1.3 810-23 Дж/К - стала Больцмана; AF - смуга пропускання приймача на відеочастоті.
Також сюди відносяться й інші сигнали, що попадають в діаграму антени (грозові розряди, відбиття від Землі, теплові шуми земної поверхні, прийняті паразитними пелюстками діаграми спрямованості антени та ін.). Внутрішні ж фактори обумовлені шумами, пов’язаними з технічним станом радіолокатора (шум радіокомпонентів і т. д.), які при їх приведенні до входу в цілому теж дають внесок на рівні декількох сотень градусів.
Приклад добових залежностей адитивної суми потужностей таких зовнішніх та внутрішніх шумів, які зафіксовано в кінці радіолокаційної розгортки за результатами кожного 15-хвилинного сеансу вимірювань, наведено на рис. 1. Цей результат одержано радіолокатором НР, який розташований на території Інституту іоносфери НАН і МОН Укр аїни (м. Харків). Дані належать до періоду безперервної роботи з 27 травня по 6 червня 2006 р., при цьому лінії графіка по відношенню до одного і того ж моменту кожної доби мають систематичний відхід вліво на 1/365 частку доби (4 хв.). Для можливості їх статистичного усереднення положення ліній скореговано (віднесено) до стану на 27.05.2006 р., і в наступних розрахунках цей день прийнято за еталонну добу.
Для подальших досліджень на рис. 1 виділимо такі дві складові:
1. Перша із них, змінна складова PNm (t)ET утворюєть-
ся за рахунок наявності космічних шумів (сигналів від зоряних скупчень). Це вона формує ефект по-
стійного відходу максимумів на лінії графіка вліво. В цілому положення цих максимумів залежать тільки від номерів доби та місяця і повторюються точно через рік. Цю складову в еталонний день ми і приймемо за зразок для подальшого порівняння її з такою ж формою, одержаною радіолокатором в поточний час.
2. До другої, постійної складової PN _ (t)ET, віднесемо
всі ті сигнали, що виникають в результаті наявності інших зовнішніх і внутрішніх факторів.
Р№ ум.вд.
700
100
1W"
р, п
t, год
2 4 б 8 10 12 14 16 18 20 22
Рис. 1. Добові залежності потужностей шуму, що одержані при дослідженні іоносфери над Харковом за період 27.05.2006 р.- 6.06.2006 р. і віднесені до періоду еталонної доби 27.05.2006 р.
На радіолокаторах, що мають інші географічні координати або використовують нахил антени, теж реєструються аналогічні форми. Т ак само є два максимуми та два мінімуми, і це пов’язано з особливістю траєкторії променя антени по карті неба, яку формує еліпсоїдна галактика, і зміною при цьому складу зоряних скупчень, що спостерігаються за допомогою радіолокатора.
Як показує практика іоносферних вимірювань, розмах по амплітуді графічної лінії Pn ю (t)ET прямо залежить від технічного стану та режимів роботи приймальної системи радіолокатора (насамперед, від її коефіцієнта передачі). Це значить, що, аналізуючи розмах цієї поточної кривої по відношенню до еталонної, можна знайти, чи не змінився, а якщо так, то на яку величину коефіцієнт передачі, та використати цей результат для корекції константи. Розглянемо запропоновану методику на прикладі.
3. Методика корекції константи
Корекція, що пропонується, полягає в такому.
1. На усереднений добовий фон еталонних шумів
PN(t)ET накладемо потужність шумів PN(t)noT , одержаних радіолокатором в один із поточних (nOT) днів (рис. 2).
Р№ ум.од.
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22
Рис. 2. Варіації потужностей шумів в еталонний і один із поточних днів
2. Віднесемо (ВІДН) до періоду еталонної доби поло-
• •• • • noT
ження елементів поточної потужності шумів Pn (t)
шляхом їх циклічного переносу вправо на інтервал, пропорційний різниці між датами (48 діб), тобто на величину 48 х 4 хв. = 192 хв.
3. Проведемо ітераційну (IT), з вводом змінних величин kіт та йц, процедуру порівняння цих приведених потужностей, одержаних впродовж всієї доби T (або
РИ, 2007, № 2
15
відрізка ДТ), а саме - пошук суми середньоквадра-тичних відхилень їх елементів за допомогою виразу
£{PN(t)ET -kіт • [PN(t = tвідн)ПОТ + d*]}2 ^min
t=0
4. Зафіксуємо в момент одержання мінімуму суми відхилень (в момент збігу форм змінних складових)
коефіцієнти k = k;т і d = dj-j., де k - величина, пропорційна зміні підсилення апаратури прийому, а d - зміні постійної складової потужності шумів.
Момент такого збігу складових Pnя (t)nOT поточного дня з еталоном P^ (t)ET наведено на рис. 3 (випадок k = 1.3, d = 21). Слід зазначити, що в цей же час розмахи постійних складових можуть як збігатися (k ■ d = 0), так і ні (k ■ d Ф 0), наприклад, через різні умови засмічення радіоефіру.
графіку все ще має характерні особливості у вигляді хоч одного переходу між мінімумом та максимумом, придатного для порівняння з еталоном. До того ж, у протилежність від аналогів, легко реалізується можливість повернення до корекції даних іоносферних вимірювань, одержаних в попередні дні і роки, коли змінювався характер P^ (t)nOT, а моментів зміни константи не було зафіксовано.
Цей випадок демонструє рис. 4, де мінялися розмахи складових два роки тому через зміну коефіцієнта підсилення апаратури. Особливо наочно це видно в період перед 1600-. Саме для цього випадку показана процедура послідовного приведення змінних складових поточних шумів до еталону спочатку в часовому інтервалі 200 - 1600 (результат приведення: k = 1.1, d = -44), а потім - в інтервалі 1700 - 2300 (відповідно, k = 0.8, d = -60).
Рис. 3. Момент збігу форм змінних складових потужностей шумів з урахуванням їх приведення в часі та ітераційного підбору коефіцієнтів k і d
5. За результатами ітерації виявляємо, що в даному випадку коефіцієнт підсилення приймальної системи радіолокатора змінився в k раз. А значить, потужність сигналу розсіяння, яку було б зафіксовано на виході приймача в еталонний день в момент розрахунку константи, з огляду на його новий технічний стан, відповідала б іншому, приведеному (ПРИВ) значенню, а саме
P^ET» = Ps(hn) ^ .
6. Використовуючи це значення приведеної потужності, перепишемо формулу:
^пот CP/
ср - Л -
= Ps(bF2CB ■ (hF2ЕТ)2 • [1 + Te(hF2)ET/Tj(hF2)ET] . 1.24 -1010 • (fNF2ET)2
З її допомогою проведемо поточне уточнення константи та перелічимо значення електронної концентрації на протязі поточної доби згідно з виразом (3), підставивши
в нього Cp = CnOT. І все це - при значному апаратурному спрощенні експерименту та при економії енерго-витрат на потужні (кіловати) пристрої радіозонду.
Слід відзначити, що період ДT поточної доби, на протязі якого для оцінки коефіцієнтів k і d залучаються
значення потужностей шумів PN(t)nOT , може бути
значно меншим, ніж 24 години. Це може бути інтервал в декілька годин (рис. 4), коли змінна складова на
Рис. 4. Момент збігу форм змінних складових потужностей шуму для випадку приведення на коротких
( AT 1=14 год і ДT 2 = 6 год) інтервалах
4. Приклад розрахунку електронної концентрації
Як приклад, що демонструє кількісні показники нової методики, на рис. 5 наведені часові залежності електронної концентрації' Ne(t) для цих даних, обчислені за двома методиками.
Штрихова лінія (б) - це результат, що одержаний при старому значенні константи радіолокатора, яка своєчасно не була уточнена за допомогою іонозонду. Безперервна ж лінія (а) - електронна концентрація, одержана після перерахунку константи згідно з запропонованою процедурою, яка не потребувала уточнених даних про fNF2nOT - Перша половина графіка
показує, що електронну концентрацію потрібно збільшити майже на 10 %, а друга - відповідно зменшити на 20 % по відношенню до розрахунків попередньою методикою.
Ne, ел<м5
6 10іи і 12.06 2005
1 1 1ЛІ0 - ' И - б
а
і, гор
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22
Рис. 5. Результати порівняння електронної концентрації, одержаної при використанні (а) і ні (б) нової методики (за відсутності уточнюючих даних з іоносферної станції про критичну частоту)
16
РИ, 2007, № 2
Висновки
Для збільшення точності визначення висотно-добових залежностей електронної концентрації іоносферної плазми запропоновано нову методику перерахунку константи р адіолокатор а у випадку нестабільності її значень. На відміну від існуючих аналогів, це можливо за рахунок аналізу характеру поведінки потужності космічних шумів на виході приймача радіолокатора. При цьому додаткова інформація дозволяє зафіксувати час зміни коефіцієнта підсилення приймача і при цьому уточнити значення електронної концентрації.
Наукова новизна отриманих результатів полягає у використовуванні для уточнення електронної концентрації іоносферної плазми паралельно вимірюваної потужності космічних шумів.
Практична цінність роботи полягає в тому, що достовірна інформація про стан іоносфери одержу єть-ся в періоди, коли немає даних іонозонду.
Подальша проблема, що потребує свого рішення, полягає в необхідності аналогічного врахування інформації про технічний стан також системи випромінювання (передавача та антенно-фідерного тракту). Ця система є причиною нестабільності випромінюваної енергії, а значить - теж впливає на зміну константи радіолокатора.
Аналогічних досліджень у цій області ще не проводилося.
Література: 1. Черногор Л. Ф. Энергетика процессов на Земле, в атмосфере и околоземном космосе в свете проекта “Попередження” // Космічна наука і технологія. 1999. № 1. С. 38-47. 2. ЭвансДж. Теоретические и практические вопросы исследования ионосферы методом НР // Труды ИИЭР. 1969. 57. № 4. С. 139-175.3. ТаранВ.И. Исследование ионосферы в естественном и искусственно возмущенном состояниях методом НР // Геомагнетизм и аэрономия. 2001.41. №5. С. 659-666. 4. ЕмельяновЛ.Я. Измерение высотных профилей электронной концентрации методом НР // Г еомагнетизм и аэрономия. М.: 2002. Т. 42, № 1. С. 116-120. 5. Головин В.И., Рогожкин Е.В., Таран В.И. и др. Наблюдения ионосферы с помощью метода НР. Сообщение 2. Аппаратурные и методические особенности // Вестн. Харьк. политехн. ин-та. Харьков: Вища школа. Изд-во при Харьк. ун-те. 1979. № 155. Вып. 1. С. 12-22. 6. Лысенко В.Н., Скляров И.Б. Перспективы применения ионозонда в составе радара НР Института ионосферы // Вестн. НТУ “ХПИ”: Радиофизика и ионосфера. Харьков: НТУ “ХПИ”. 2004. № 23. С. 63-68. 7. Пуляев В.А. Автоматизированная система исследования параметров ионосферной плазмы на базе радара НР // Радиотехника. 2003. № 135. С. 78-86.
Надійшла до редколегії 12.03.2007
Рецензент: д-р. фіз.-мат. наук, проф. Рогожкін Є.В.
Пуляєв Валерій Олександрович, д-р. техн. наук, ст. наук. співр., зав. відділом Інституту іоносфери НАН і МОН України. Наукові інтереси: інформаційні технології оцінки параметрів іоносфери. Адреса: Україна, 61055, Харків, вул. 2 П’ятирічки, 59, кв. 65, тел. 94-37-41.
Лисенко Валерій Миколайович, канд. фіз. -мат. наук, заст. директора Інституту іоносфери НАН і МОН України. Наукові інтереси: радіолокаційні пристрої. Адреса: Україна, 61033, Харків, пр. Московський, 72, кв. 3, тел. 706-22-87.
УДК 519.8:621.37
ЗАСТОСУВАННЯ ТА АДАПТАЦІЯ МЕТОДУ МАКСИМІЗАЦІЇ ПОЛІНОМА ДЛЯ ОЦІНКИ ПАРАМЕТРІВ РАДІОСИГНАЛУ НА ТЛІ ЕКСЦЕСНИХ І-ГО ТИПУ 1-ГО ВИДУ ЗАВАД ПРИ НЕОДНАКОВО РОЗПОДІЛЕНИХ ВИБІРКОВИХ ЗНАЧЕННЯХ
ПАЛАГІН В.В., КУЛИКОВ Д.В.________________
Описуються синтезовані алгоритми знаходження оцінок інформативних параметрів радіосигналів, а саме амплітуди, частоти та фази, що приймаються на тлі нега-усівських ексцесних І-го типу 1-го виду завад, з використанням методу максимізації полінома. Досліджується ефективність отриманих оцінок, результати представлено як в аналітичному, так і в графічному вигляді.
Вступ
Сигнал, що приймається антеною, являє собою, як правило, адитивну суміш корисного сигналу та деякої завади, і тому постає проблема виділення та оцінки
інформативних параметрів корисного сигналу з прийнятої суміші. Дана задача вирішується за допомогою використання класичних методів, таких як метод моментів, метод найменших квадратів та ін., реалізація яких на практиці в основному зводиться до використання гаусівських моделей завад та сигналів [1]. Проте гаусівські моделі не описують всієї тонкої структури реальних завад і є зручною математичною ідеалізацією реальних процесів. Тому для збільшення точності отримуваних оцінок інформативних параметрів необхідно використовувати негаусівські моделі сигналів та процесів. Застосування класичних методів у цьому випадку викликає деякі труднощі для практичної реалізації синтезованих алгоритмів. Саме тому в даній роботі використовується новий метод максимізації полінома (метод Кунченка), що базується на використанні саме негаусівських моделей завад та сигналів [2-5].
Метою даної роботи є застосування та адаптація методу максимізації полінома для оцінки параметрів радіосигналу при неоднаково розподілених вибіркових значеннях. Як математичний апарат використовується метод максимізації полінома, що базується на моментно-кумулянтному описі випадкових величин.
РИ, 2007, № 2
17
