Автореферат (Преобразователи амплитудно-фазового распределения полей на многомодовом диэлектрическом волноводе для радиоинтерферометрической диагностики объектов), страница 2

Полученные в работе результаты и рекомендации внедрены в ФНПЦ НИИИС при проведении ОКР по разработке радиоинтерферометров для различных задач диагностики. Разработанные конструкцииволноводных преобразователей в составе одноканальных и многоканальных РИвнедрены в Институте физики взрыва РФЯЦ ВНИИЭФ.На защиту выносятся:1) Процедура синтеза АФР зондирующего поля в виде пучка ГауссаЭрмита нулевого порядка на основе мод НЕ11, НЕ13, НЕ15 ШПДВ, обеспечивающая достаточную для прикладных целей точность.2) Способ управления АФР с помощью возбуждения на локальных неоднородностях широкоформатного прямоугольного ДВ требуемого набора высших мод с заданными амплитудами и фазами.3) Физические принципы работы предложенных волноводных преобразователей на основе многомодовых широкоформатных прямоугольных ДВ с локальными неоднородностями при возбуждении клиновидным участком ДВ.4) Уточненные математическая модель и процедура синтеза АФР зондирующего поля с учетом влияния клиновидного участка ДВ в предложеннойконструкции волноводного преобразователя на физические процессы в нем.5) Новые патентоспособные конструкции волноводных преобразователей дляприкладных задач одноканальной и многоканальной радиоинтерферометрии.Апробация работы.

Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях: «Актуальные проблемы радиофизики»(г. Томск, 2010 и 2012 г.); Междунар. конферен. «Харитоновские тематическиенаучные чтения» (г. Саров, 2009 и 2011 г.); XX Междунар. научно-техн. конферен. студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»(г.Москва, 2014 г.); 24ой Междунар. конфер. «КрыМиКо` 2014» (г. Севастополь,2014 г.); III Всероссийской научно-техн. конфер. «Радиолокация и связь», ИРЭРАН РФ (г.

Москва, 2009 г.); 65ой Научной сессии НТОРЭС им. А.С. Попова(г. Москва, 2010 г.); конференции ГК Росатом «Молодежь в науке» (РФЯЦВНИИЭФ, 2009 г.) и «Молодежь в инновационном процессе» (НИИИС,2010 г.). Результаты работы отмечены в 2012 г. Премией ГК «Росатом» молодым ученым, ряд докладов удостоены дипломов I степени.Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 22 работах. В их числе: 7 статей в научно – технических журналах, входя7щих в перечень ВАК, раздел в монографии, 4 патента РФ на изобретения и однаавторская заявка на изобретение.Структура и объем диссертации.

Работа состоит из введения, четырехглав, заключения, списка используемых источников и четырех приложений. Работа изложена на 165 страницах машинописного текста, включая приложения(25 стр.), проиллюстрирована 70 рисунками (в т.ч. 10 в приложениях).

Списоклитературы включает 85 наименований, в том числе 22 авторские работы.КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность работы, дано краткое описаниепроблемы, проведен анализ современного состояния вопроса, сформулированыцель работы и задачи исследований, научная новизна, практическая значимостьполученных результатов, а также основные положения, выносимые на защиту.В первой главе рассмотрены принципы формирования такого поля наапертуре преобразователя, которое обеспечивает решение задач диагностикиперемещений объектов. Без потери общности, эти принципы рассмотрены применительно к прикладной задаче – реконструкции, с помощью многоканальныхРИ, формы газодинамического объекта и диагностики динамики ее изменения.Специфическим условием является расположение приемо-передатчика РИна расстояниях до 10 м от объекта диагностики, и в то же время необходимостьформирования зондирующего поля в непосредственной близости от объекта диагностики.

Для решения поставленной задачи применяются ДВ. Они обеспечивают связь РИ с объектом диагностики в труднодоступных местах, гарантируютсохранность РИ при диагностике опасных процессов.С использованием численного моделирования и экспериментально изначально нами исследовался конусовидный ВП, а затем была предложена и исследована конструкция клиновидного ВП. Было установлено, что клиновидныеВП имеют преимущества перед конусовидными по уровню боковых лепестков.Однако, эксперимент показал, что формируемые клиновидными ВП зондирующие поля не могут быть аналитически представлены в форме ПГЭ0 с требуемойточностью, а значит их применение в многоканальной радиоинтерферометрииприведет к ошибкам измерения перемещений.

Тем не менее, они могут бытьиспользованы в одноканальных РИ при условии, что размеры области облучения ОД не превышают ширины АФР поля по уровню 30 дБ.8По результатам экспериментальных исследований определены зависимости ширины АФР полей от размеров поперечных сечений торцов конусовидныхи клиновидных ВП, оптимизированы углы при их вершинах.

Это позволилоколлективу авторов, включая автора диссертации, защитить преобразователиэтих типов патентами РФ.В работе сформулированы требования к ВП, предназначенным для многоканальной диагностики. Отмечена необходимость формирования поля, имеющего малые боковые лепестки в диагностируемой области объекта, по уровню, определяемому чувствительностью радиоинтерферометра.Рассмотрена система из трех ВП, в которой центральный канал – приемопередающий, а боковые – приемные. Сформулированы дополнительные требования – необходимость облучения практически всего участка поверхности диагностируемого объекта передающим каналом РИ и особые требования к разрешающей способности системы по поперечным координатам. Показана целесообразность создания преобразователей с гауссовым распределением поля наапертуре, т.к.

это исключает существование нулей амплитуды и скачков фазыАФР в пределах поперечного сечения объекта диагностики.Перечисленным условиям удовлетворяет модель пучка Гаусса-Эрмитанулевого порядка. Для определения связи размеров сечения прямоугольного ДВс параметрами синтезируемого пучка введено понятие практического сеченияпучка на апертуре ВП 2DGH ( z  0) .

Показано, что по уровню мощности 40 дБширина пучка 2DGH (0) фактически должна быть равна большему размеру 2bсечения ДВ, а ширина горловины ПГЭ0 2aGH на торце прямоугольного ДВопределяется из соотношения aGH  0,33b .Показано, что синтез АФР ПГЭ0 может быть обеспечен в многомодовомрежиме ДВ. Предложена базовая структура ВП на основе отрезка широкоформатного прямоугольного ДВ с клиновидным переходом от одномодового прямоугольного ДВ.

Сформулированы методы решения поставленных задач.Во второй главе приведены результаты разработки процедуры синтезазондирующего поля в виде ПГЭ0 на базе волн широкоформатного прямоугольного ДВ. Рассмотрена задача синтеза АФР вида y 1aGH y2 exp   2  . aGH 9(1)Для решения практических задач обоснована возможность аппроксимации функции (1) только модами дискретного спектра ПДВ  n  gn y  :N N  y    An  n  g n y  ,(2)n 0где An    y  n  gn y  dy – комплексные амплитуды мод ПДВ.С учетом соотношения (1),An 1N y aGH 2exp   2  2aGH y  g n  d  .(3)Усеченная функция  N  y  не будет в точности воспроизводить заданнуюфункцию   y  .

При выборе параметров ПГЭ0 и их соотношений с размерамисечения ПДВ для минимизации СКО функции  N  y  от   y  использованыприведенные в главе 1 соотношения эффективного сечения ДВ и ширины пучкапо заданному уровню мощности.В силу близости свойств ШПДВ и планарного ДВ, для аналитическогоописания мод ШПДВ предложена модель на основе волн планарного ДВ (модель Z). Для проверки ее пригодности при решении задач МРИ проведено численное моделирование. Результаты расчетов АФР мод ДВ по модели Z совпадают с результатами моделирования, а дисперсионные зависимости даже приформате прямоугольного ДВ, равном двум, совпадают с известными и отличаются от экспериментальных не более, чем на 2-3%.Процедура синтеза АФР ПГЭ0 проводилась с оптимизацией размера горловины синтезируемого пучка в зависимости от ширины ШПДВ 2b по критерию минимума СКО функции  N  y  от ПГЭ0. Было получено численное решение для диапазона 2b = (4-8) при толщине ДВ 2a=0,3.

Такие размеры сечений ШПДВ, как показано в главе 1, обеспечивают требуемую ширину АФР зондирующего поля по уровню 30 дБ.В рассматриваемых ШПДВ могут распространяться от двух до четырехчетных типов волн. Толщина 2a выбрана из условия обеспечения одномодовогорежима по узкой стороне ДВ. Расчеты показывают, что при минимуме СКО всумме доминируют моды HE11 , HE13 , HE15 .

Амплитуды остальных мод – напорядок меньше.10На рисунке 1 показана зависимость СКО суммы трех мод от размера полугорловины ПГЭ0 aGH для ширины широкоформатного ПДВ – 4(1), 5(2),6(3), 7(4), 8(5).При указанных размерах ШПДВминимум СКО слабо зависит от aGH иизменяется от  4,5 103 до  3,5 103при изменении ширины ПДВ вдвое.При указанных размерах ШПДВРисунок 1минимум СКО слабо зависит от aGH иизменяется в пределах от  4,5 103 до  3,5 103 при изменении ширины ПДВвдвое.