Параметрические радиотехнические системы Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies 1 (2011 4) 6-16 УДК 621.396.96.537.874.4

Параметрические радиотехнические системы

Г.Я. Шайдуров*

Сибирский федеральный университет, Россия 660041, Красноярск, пр. Свободный, 79 1

Received 4.02.2011, received in revised form 11.02.2011, accepted 18.02.2011

Рассматривается класс систем дистанционного извлечения и передачи информации на основе эффектов модуляции неэнергетических параметров электромагнитного поля (фазы, частоты) воздействиями другой физической природы - механическими, акустическими, плазменными, электрохимическими и другими колебательными процессами на границах раздела сред с разным типом проводимости. Приводятся примеры решения различных прикладных задач.

Ключевые слова: радиотехнические, параметрические системы, электромагнитные,

акустические волны, взаимодействие, подводная, морская радиосвязь.

Введение

Одним из основных направлений расширения информационных возможностей радиотехнических методов извлечения и передачи информации является исследование механизмов взаимодействия электромагнитных волн с процессами и полями другой физической природы - механическими, сейсмическими, электрохимическими, плазменными, в результате которых возможно создание новых технологий дистанционного исследования объектов и сред с более высокими качественными параметрами. Традиционно радиолокационный метод дистанционного извлечения информации используется для оценки интегральных параметров объектов - координат, скорости движения, эффективной поверхности рассеивания [1], однако по мере совершенствования тактико-технических параметров объектов радиолокации - скрытно -сти, маскировки, скорости движения, маневренности - требуется адекватное развитие средств обнаружения.

Имеются проблемы передачи и приема информации через границы сред с разным типом проводимости, в частности при обеспечении связи с подводными морскими аппаратами.

Классическая связь с использованием электромагнитных волн не позволяет получить прием и передачу сигналов с глубин более десятка метров из-за высокого поглощения энергии радиоволн морской водой [2, 3].

Традиционно для связи в воздушной среде используются радиоволны, а в морской - ультразвуковые колебания, однако эти методы имеют существенные ограничения по дальности и глубине приема. Принципиально новые результаты можно получить при использовании эф-

* Corresponding author E-mail address: [email protected]

1 © Siberian Federal University. All rights reserved

фектов параметрического взаимодействия обоих видов колебаний на границе раздела вода-воздух [4].

В настоящей статье рассматривается ряд прикладных задач радиофизики, общим принципом которых является использование эффекта модуляции неэнергетических параметров радиоволн, существенно улучающих чувствительность и информационную эффективность систем дистанционного зондирования.

Постановка задачи

Типичными примерами подобных задач могут быть: граница раздела вода-воздух; ионопроводящая среда (земля)-металл; металл-диэлектрик; плазма-воздух; металл-воздух; биохимические среды с существенно различающимися свойствами и т.п.

На рис. 1 приведена простейшая схема параметрической модуляции отраженной электромагнитной волны радиолокатора (РЛС) колеблющейся границей раздела металл-воздух.

1В этой схемепередатчик РЛСобх^чаетнекоторую металлическую поверхность, периоди-ческиколеблющуюсяс амплитудой^и частотой О = 2'л:/7’ инаходящуюся от РЛС на расстоянии г,ипринимает отраженный сигнал,модулированныйпо частотеифазев виде

СО? + -Л°^ІП + СРо) + Лф8ІпО?)

(1)

где га = - несущая частота; Дсо -девиациячастосы за счетдопплеровского смещения;

Дг с 2и

Дф = 2п— - амплитуда сдвига фаз; Л, = — - длина во лны; Дга = со—; с - <^:ю^]:50сть света; X / с

и - скорость колебанийметаллической поверхности.

1 Дг

За период Т = —, прискоростиколеб аний: и = —, допплеровское приращение частоты

р Т

составит:

Лео = со

2Т

сТ

Чувствительность РЛС к смещению отражающей границы будет равна почастоте

Дг сТ

Ра д

с м • с

Чувствительность по фазе:

Дф ю Дг

Из сравнения (3) и (4) получим:

со Рад

с м• с

(2)

(3)

(4)

(5)

Лг Лг

Из (5) формально кажется, что чувствительность по частоте выше чувствительности по фазе на частоту колебаний 2^. Однако из-за разной размерности частотного и фазового сдвига прямое сопоставление двух методов неправомерно, поскольку детектирование частотного и фазового сдвигов производитсяразными схемными решениями.

Рассмотрим частный случай:

/ = 109Ю0/; Дг = КГ3.^; ^ = 10ъ Гц, Из ((1) и (5) получим Дф = 1,2град или относительное Лф , ,

приращение фазы: — = 1,М------.

Дг м

Частотныйсдвиг, согласно (3):

Дш= 10, = 66 10, Л,

Дг 3 • 10* м

В данном случае частотный метод, безусловно, чувствительнее фазового и реализуется более простым детектором.

В другом частном случае, например при необходимости измерения расстояний до малоподвижной отражающей поверхности с малой частотой вибрации, когда и^-0 и Дю^-0, фазовый метод позволяет решитьподобнуюзадачу,ачастотный - нет.

Перечислим ряд практических задач из области радиолокации, которые могут быть решены параметрическим методом с существенно более высокой информационной эффективностью, по сравнению с традиционными методами:

- задачи дистанционного распознавания воздушных, малозаметных целей путем выделения частоты вибраций двигателей, корпуса носителя, плазменного следа двигателей и т.п.;

- дистанционная дефектоскопия мест повреждения магистральных нефте- и газопроводов с аэрокосмических носителей [5];

- обнаружение и отслеживаниедвижущейсятранспортной техникиподпокровомлеса;

- определение собственныхкоординат маневренныхсредств противовоздушной обороны с помощью системы пассивных наземных переотражателей, модулированных специальным кодом вибраций;

- радиолокационная дефектоскопияжелезнодорожныхпутей[6].

Интересные возможности открывает параметрический метод в задаче радиосвязи с подводными морскими аппаратами, а также в реализации новых методов геофизических поисков на основе сейсмоэлектрических эффектов взаимодействия электрических и сейсмических полей на двойном электрическом слое: электронный проводник или диэлектрик - ионопроводящая среда (земля) [7, 8].

Далее рассмотрим возможности использования параметрического метода путем искусственного воздействия исследуемых объектов полями другой физической природы - механи-

ъ

X

6

V

Рис. 2. К реализации способа дистанционного обнаружения подповерхности объекта параметрическим методом

ческими, акустическими либо электромагнитными, существенно отличающимися по частоте от рабочей частоты зондирующего сигнала РЛС.

Чрезвычайно актуальной задачей является дистанционное обнаружение и уничтожение мин и минных полей. Сегодня во многих горячих точках - Ангола, Афганистан, Ирак, Чечня, Дагестан - минная опасность подстерегает человека на каждом шагу. Недаром ООН объявила эту проблему как общемировую.

Нами запатентован новый способ обнаружения мин на основе параметрического взаимодействия электромагнитных и акустических волн на поверхности земли в районе зоны поиска [7].

Существо способа заключается в возбуждении в объектах поиска собственных механических колебаний с помощью сейсмического излучателя поверхностных акустических волн Релея.

На рис. 2 изображена схема реализации способа, по которой передатчик радиолокатора 1 сканирует поверхность земли 2 качающимся лучом 3 впереди транспорта - носителя поисковой установки, а приемник 4 принимает отраженные сигналы, демодулирует и передает в процессор обработки информации.

Поверхностная волна Релея 5 распространяется от сейсмического излучателя 6 и возбуждает механические колебания во всех приповерхностных неоднородностях, включая объект поиска 7. Последние существенно отличаются по частоте и амплитуде вибраций от других объектов, что и является информационным признаком распознавания мин. Разница в скоростях распространения электромагнитных и акустических волн используется для временной развязки отраженного радиолокационного сигнала от первичного поля передатчика.

Если интенсивность сейсмоакустической волны у поверхности объекта поиска будет равна 1а, а площадь его поперечного сечения равна Б, то амплитуда силы звукового давления на поверхность объекта поиска составляет: Р = 1а х Б.

Поскольку уравнение динамики поверхности объекта без учета влияния среды можно записать как

то ускорение смещения поверхности объекта

т2 х р

а == ~, (7)

т т

где т - масса объекта поиска.

Механический резонанс корпуса объекта поиска увеличивает действие силы Р в число раз, равное величине добротности Q, поэтому выражение (7) можно записать как

Р х О

а =----— .

т

Вследствиетого,чтоинтенсивность релеевской волны у поверхности границы раздела затухаетобратно пропорциональнорасстояниюг, оценить величину действующейсилы упо-верхности объекта можно спомощью приближенного соотношения:

р = 11 ^ S, (8)

Р Г

где I = —- интенсивность сейсмоакустической волны в близи источника; - эффективный радиус контактной поверхности изх^чателясейсмоакустических волн (сигналов) с грунтом; Р1 - мощность излучателя сейсмоаку стических волн (сигналов); площадь поверхности корпуса объекта поиска,перпендикулярная действующей силе; г - расстояние до объекта поиска.

Из решения уравнения (1) смещение кортгеа объекта под действиемсилы акустического давления

}‘0Р О,

х~ И----- о, (9)

оо т

где т - время действия силы акустическогодавления.

При единичном ударе на интервале 0-т величина Р = сот^ из выражений (8) и (9) получаем:

х = -р- жи- Б О-Т2. (10)

Т) 2

тЖы г т

При периодическом повторении сейсмоакустических импульсов отраженныйот объекта радиолокационныйсигнал можнозаписать ка1с

(11)

и (t )=ит Х™

/=1 V

где ®^ = 2 л/, - циклическая частота радиолокационного сигнала; А, - длина волны радиолокационного СВЧ сигнала; О = - циклическая часто2а сейсмоакустического сигнала;

, -текущийномергармоники.

Для периодического импульсного сигнала, когда 90 % его энергии сосредоточено в первой гармонике, фазовый сдвиг первой гармоники принимаемого радиолокационного эхо-сигнала будетравен:

2пх

Дф = 2—— бш О—. (12)

Путем фазового детектирования отраженного от объекта радиолокационного сигнала, выделяя коэффициент фазовой модуляции Дф, можно получать информацию о смещении х, прямо

vQ

пропорциональном, согласно выражению (10), отношению x = о —.

m

Для одинаковых по размеру объектов величина этого смещения тем больше, чем выше добротность его корпуса и меньше масса. Для объектов искусственного происхождения, типа Q

мин, параметр — будет явно отличаться от естественных объектов (например камней) или ис-m

кусственных (металлический мусор).

Следующей проблемой, решаемой параметрическим методом, является обнаружение мелких металлических предметов, например драгоценных металлов, а также опасных металлических изделий - оружия и боеприпасов - через охраняемые проходы.

Традиционно эта проблема решается использованием низкочастотных электромагнитных полей на основе возбуждения в объектах обнаружения вихревых токов и регистрации вторичного магнитного поля этих токов.

Однако используемые системы не обладают достаточно надежными характеристиками распознавания, особенно по работе по вышеуказанным объектам поиска.

Нами запатентован способ и устройство реализации указанной задачи на основе совместного использования двух электромагнитных полей, существенно разнесенных по частоте [9].

Низкочастотное поле накладывается на контролируемый проход для возбуждения собственных механических колебаний объектов поиска за счет сил Лоренца, возникающих при взаимодействии возбуждающего электромагнитного поля и наведенных в объекте поиска вихревых токов. При облучении прохода полем сверхвысокочастотного диапазона из отраженного поля выделяются сигналы частоты наведенных вибраций объектов поиска. Подобная система должна использовать нейрокомпьютерную программу обучения, позволяющую существенно улучшить качество обнаружения и распознавания.

Принципиально новые возможности в области радиосвязи с подводными морскими аппаратами может открыть параметрический метод на основе эффектов взаимодействия электромагнитных и ультразвуковых волн на границе раздела вода-воздух [4]. Традиционно для этой цели в канале воздух-вода используется передача радиосигналов с береговой радиостанции на низких и сверхнизких частотах с приемом на буксируемую антенну. В связи с высоким поглощением электромагнитных волн морской водой глубина подводного приема ограничивается диапазоном 10-100 м. Для ее увеличения используются сверхнизкие рабочие частоты, в частности в американских проектах SANGUIN и SEAFARER применяются частоты соответственно 75 Гц и 45 Гц со сверхмощным антенным полем передатчика до 10 мВт при размере антенного полотна 100x100 км [2].

Нашими работами в Красноярском политехническом институте впервые теоретически и экспериментально обоснована возможность создания параметрических каналов передачи информации воздух-вода и вода-воздух с существенным снижением зависимости выбора рабочей частоты от поглощения радиоволн морской водой [10, 11].

I

\

Рис. 3. Взаимное расположение приемопередатчиков относительно границы раздела: 1 - точка расположения акустического излучателя; 2 - граница раздела вода-воздух; 3 - точка расположения приемопередатчика электромагнитного канала; 4 - корпус носителя; АК - акустический канал; ЭМ -электромагнитныйканал

Физическойосновой параметрыческого подводного радиоприема является эффект демодуляции электромагнитной волны ультразвуком, «подсвечивающим» водную поверхность излучателем, расположенным на подводном аппарате (рис. 3).

На рис. 4 представлены экспериментальнополучетные зависимости коэффициента параметрической де модуляции от электропроводности воды при двух значениях плотности потока мощности ультразвука - 0,25 1 вт/м2. Эксперимент производили в лабораторном бассейне размером 0,5x0,5x1,5 м.

В качестве унатразвукового излучателя использовали набор дисков из титанита бария с рабочейчастотой /г=15 кГц.

Электромагнитное полечастотой /э =16,5 кГц создавало сь горизонтальным диполем с заводняющими пластинами, выполненными из титана. Акустический и электромагнитный излучатели располагались по противоположнымсторонам бассейна на дистанции 1200 мм.

Приемвелся на электрическийзаводненный диполь длиной 100 мм.

При одновременном излученииобоих видов по лей на приемном диполес помощью спек-тральногоанализатора измеряликоэффициентпараметрической демодутяции тЕ как отноше-ниепринимаемого си гнала разностной частоты F = / - /а = 1.В кГц к сигналу частоты воз-буждающегоЭМ поля / = 16, В кГц.

Как видно из графиков, коэффициент тЕ существенно возрастает с ростом электропроводности воды от 1,8 до 5 сим/м и интенсивности акустического излучения !л. В районе низкого

0,0009 0.0008 0.0007 Ші I = 1 ет А 2

м

Л —І-—Г—

Ї

0,0004 0.0003 0.0002 0.0001 /

I 0 25 Ш

I а 2 Ч

і /V- —■+——

.

0,2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.© 1.8 2 2 2 4 2 € 2 8 3 3 2 3 4 3,6 3 8 4 4 4 4 6 4 в

Рис. 4. Экспериментальные зависимости коэффициента демодуляции тЕ = —от электропроводности воды ст, см/м Е/,

уровня электропроводности с = 0.2 сим/м и 2,2-2,4 сим/м наблюдались аномальные изменения

й токов смещения и прово-цЯВВЯВпТДЯВгрВДЯаняВтВшЯп токи смещения, и повышен-гсотаотувдЗшнЕщшШУщ бъясняется модуляцией диэлектрической проницаемости воды

йщпщЕ&ком.

Ятей проводимости ст = 2.2 - 2.4 сим/м, по-видимому, действуют оба механизма как моду-ПшцтЕЖШПЯ

Для расчетаэнергетического выигрыша параметрического каналапосравнению с клас-сическимиспользуем соотношение напряженностей электромагнитного поляв зонеприема на щщмгаЯщЯжуРщщЖГщНВНЯИпщЯНЯЯТвнйЯщЯ

кальной электричесшЯцжЯЖщшвЯщяКИ

-0.5 мкв

1 /2фо г л Q

К = т /я .

2 V с /ст

С08 0 _5г

---------е а

. г а 8іп—с а

м

где До - магнитная проницаемость вакуума, Гн/м; с - скорость света м/с; Ні - высота ионос-

з^^їВЯЕЕЯЕаЕЯЕЕЕЗаЗЗЗЗЗЗЕВиЗЗЗйЗЗ^йВіЗЯЗЗиииїиЕЗйяВІВЯЕйВиЕиЯколебаний, Гц; і - ток в ан-геЯ—9ВЄІ атмосферного затухания,

т—ЦШщ&ВЗШг радиус Земли, м; 0 - угол щшшлпвШтшЛиГтвташиГэт^ГТЯн^нТЯп^ПЯпЯЯЗЯПЯТКЯгаЯЯЯ-ительно приемной антенны,

„ = 0.0014(Г/ - Г/)

а с0.6

С учетом приближенного граничного условия Леонтовича горизонтальная компонента электрического поля на поверхности водыдля классического способа приема

Дляпараметрического:

ЕхП ~ тЕ

2%/пео е

12

СТ

(14)

Величина коэффициента параметрической демодуляции тЕ выбирается в соответствии с описанными выше экспериментальными данными: тЕ = 10-3^/^", где 1а - интенсивность ультразвука на поверхности воды.

Отношение горизонтальных компонент напряженностей параметрического и классического методов:

( л У/( ■11

л

~{^аЛ~^аК У

(15)

\(к у

Поскольку коэффициент полезного действияг| передающего антенного поля растетпро-

ГуА у

порц ионально квадрату рабоче й частоты, то можно принять о тно ше ние —&■ = . С у четом

л /2 /к

1 К

допущения/я □ ,/^В фортуле (15) опустим коэффициент ПОГЛОЩеНИЯВОЛНЫ аТМОС ферой для

Е

классического метода 5 оК0 5„Я и,принимая условие = 1 из (15), по лу чим расчетное со от-

ношение для коэффициента выигрыша параметрического метода над классическимпоэлек-трическомумоментупередающих антенн:

К =

IL (те5/2

гг Jп

1KLK

к

!к

(16)

т.е. без учета ро-

V-' к у

В [4] чаититнаязависимоттькоэффициента/С принималась как ста КПД передающей антенны п сувеличениемчастоты.

В таблице приведены расчетные данные, полученные с использованием этой формулы для расстоянияотпередающегоцентра г = 5000 км.

Как видно из этой таблицы, на частоте 75 Гц, соответствующей системе SANGUIN, наибольший выигрыш параметрического метода по электрическому моменту передающей антенны составляет величину Кв= 313. С учетом того, что длина антенны системы SANGUIN составляет величину ЬК = 100 км, а мощность передатчика 10 МВт, то подобный выигрыш параметриче-

О. пГ

Таблица. Зависимость коэффициента выигрыша Кв от частоты излучения параметрического /П и классического ЕК метода передачи сигналов

Рк,Гц Гп, Гц

104 2Т04 5104 105

1 28103 65103 2-105 2105

10 285 671 1980 1800

75 56 187 313 115

100 2,8 6,5 19,6 19

ского метода означает, что последний обеспечит ту же дальность при длине антенны в 10 км с мощностью передатчика 10 кВт.

На частоте модуляции Е = /К = 1 Гц прием сигналов возможен на глубине 1000 м, что недостижимо с использованием никакого другого метода передачи.

Реализация обратного канала передачи информации из-под воды в воздух возможна путем использования эффекта параметрической модуляции электромагнитных волн ультразвуком на границе раздела вода-воздух на основе трех физических пограничных эффектов:

- модуляции поверхности воды ее колебательным смещением под действием акустического давления, излучаемого подводным передатчиком с модуляцией несущей частоты ультразвука передаваемым сообщением;

- модуляции диэлектрической проницаемости воды;

- модуляции электропроводности воды.

Поскольку первый эффект по уровню (индексу) модуляции на порядок превосходит два других, то в работе [4] приводятся результаты оценок тактико-технических параметров обратного канала передачи на основе считывания с поверхности воды информационного сигнала с помощью активного СВЧ-радиолокатора, располагаемого на аэрокосмических носителях.

По этим оценкам возможна реализация канала передачи с ПА на космический аппарат с глубины погружения ПА до 2000 м и высоте полета КА около 400 км при приемлемой для обоих носителей мощности электропотребления 10 кВт на ПА и 100 Вт на КА.

Заключение

Рассмотрены методы реализации особого класса радиосистем - параметрических, основанных на взаимодействии электромагнитных и других видов физических полей (механических, акустических, электрохимических и т.п.), на границах раздела сред с разным типом проводимости, позволяющих по-новому решить ряд прикладных задач дистанционного извлечения и передачи информации.

Приведены результаты теоретических оценок достижимых параметров для задач обнаружения малых подповерхностных объектов в земле, в охраняемых проходах, для решения проблем связи с подводными морскими объектами.

Все описанные в статье основные технические решения защищены патентами Российской Федерации.

Работа выполнена при финансовой поддержке аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы» (2009-2010 гг.) по проекту №2.1.2/775. Работа публикуется при поддержке Программы развития Сибирского федерального университета.

Список литературы

1. Справочник по радиолокации / под ред. М. Скольника. М.: Сов. радио, 1976, Т. 1. 455 с.

2. Соловьев В.И., Новик Л.И., Морозов И.Д. Связь на море. Л.: Судостроение, 1978.

3. Хармут Х.Ф. Несинусоидальные волны в радиолокации и радиосвязи / Пер. с англ. под ред. А.П. Мальцева. - М.: Радио и связь, 1985.

4. Шайдуров Г.Я. Потенциальные возможности параметрического канала передачи информации через границу раздела морская вода - воздух // Успехи современной радиоэлектроники. 2009. № 7. С. 41-48.

5. Шайдуров Г.Я., Грязнов В.П. О дистанционном мониторинге утечек нефти и газа комплексом радиолокационных и оптических методов // Труды международного научного семинара «Инновационные технологии 2001». Т.2. НИФТИ, КГТУ, 2001.

6. Кудинов Д.С., Шайдуров Г.Я. Проблемы неразрушающего контроля рельсовых путей на железнодорожном транспорте // Датчики и системы. 2009. № 9. С. 6-10.

7. Шайдуров Г.Я. Способ поиска объектов искусственного происхождения в земле и устройство для его осуществления. Решение о выдаче патента РФ по заявке № 2008149679 от 12.02.2010.

8. Детков В.А. Возбуждение сейсмических волн импульсными невзрывными источниками // Журнал СФУ Математика и физика. - Красноярск, 2009. - Т.2. №3. -С.298-304.

9. Шайдуров Г.Я. Способ обнаружения мелких металлических предметов и устройство для его осуществления. Решение о выдаче патента по заявке №2009127926 от 22.03.2010.

10. Шайдуров Г.Я., Лукьянчиков В.Н., Романова Г.Н. // Радиотехника и электроника. 1985. Т.30. № 11. С. 21-36.

11. Шайдуров Г.Я., Романова Г.Н. Радиотехника и электроника. Т.36. №2. 1991. С 410.

Parametric Radio Systems

Georgy Ya. Shaidurov

Siberian Federal University, 79 Svobodny, Krasnoyarsk, 660041 Russia

In the article we examine the class of remote information extraction and transmission systems on the base on non-energetic electromagnetic field parameters modulation effects by different physical nature influences - mechanical, acoustic, plasmic, electrochemical, and other oscillatory processes on the mediums interfaces with different conductivity type. The examples of various applied problems solutions are given.

Keywords: radio, modulating, systems, electromagnetic, acoustic, waves, interaction, under wave, marine, radio communication.