Диссертация (Преобразователи амплитудно-фазового распределения полей на многомодовом диэлектрическом волноводе для радиоинтерферометрической диагностики объектов), страница 3

Для обеспечения приемлемойточности измерения необходимо либо ограничитьзондируемую областьпространства главным лепестком АФР формируемого волнового образования,либо использовать преобразователь с гауссовым распределением поля поапертуре, формирующим гауссов волновой пучок.Важно отметить, что в волновом пучке, создаваемом преобразователем сгауссовым распределением на апертуре при D/>1, где D – размер апертуры,уровень боковых лепестков пренебрежимо мал, как в зоне Френеля, так и вдальней зоне облучателя. Использование «гауссовых» преобразователей являетсявполне приемлемым решением для устранения скачков фазы, связанных схарактеристиками волнового пучка в периферийной зоне его АФР.Именно поэтому в работе в качестве модели зондирующего волновогообразования рассматривается пучок Гаусса-Эрмита нулевого порядка (ПГЭ0),который хорошо его аппроксимирует в заданном диапазоне движения объекта. В12свою очередь, это определило требования к волноводному преобразователю, а,следовательно,цели,задачи,методыисследования,используемыематематические модели в нашей работе.Таким образом, разработка алгоритма синтеза и создание ВП с требуемымиамплитудными и фазовыми характеристиками, независимо задаваемыми в двухортогональных плоскостях, является важной и принципиально новой задачейдля развития многоканальной КВЧ интерферометрии.Как показано в работах [А2, А4], возможностьуправления АФРзондирующего поля, и соответственно, синтез ПГЭ0, можно обеспечить вмногомодовом режиме широкоформатного ПДВ.

При возбуждении в таком ДВдаже двух типов волн с соотношением амплитуд 1:0,3 распределение поля ПДВблизко к распределению, описываемому моделью ПГЭ0 [A4].Поэтому для задач многоканальной диагностики необходимо рассматриватьвозможностиформированиязондирующегополямногомодовымидиэлектрическими волноводами прямоугольного сечения.ПроблемасинтезаАФРполявпреобразователе,обеспечивающемформирование волнового пучка Гаусса-Эрмита, имеет свои особенности. Вчастности, в зоне Френеля невозможно использовать традиционные методыупрощения вычислений интегралов от функции Грина.

Кроме того, нахождениераспределения поверхностных токов представляет собой не простую задачу [36].Поэтому будем синтезировать требуемое АФР на апертуре преобразователя ввиде суммы собственных волн многомодового ДВ, избежав, таким образом,решения задачи дифракции волн на торце ШПДВ.Для решения задачи синтеза АФР типа ПГЭ0 необходимо располагатьаналитическим описанием базисных функций дискретного спектра мод ШПДВ.СтрогоеаналитическоерешениедляПДВневозможновсвязиспротиворечивостью граничных условий в углах поперечного сечения ПДВ.Известные приближенные методы описания полей ПДВ [25, 27-29, 32]нашли широкое применение для решения электродинамических задач для ПДВ с13отношением размеров сечения - форматом1 не более трех.

Кроме того, наряду схарактерными ограничениями, они требуют использования численных методов,сопряженных с большими временными затратами.Для прикладных задач целесообразно создание метода приближенногоаналитического описания характеристик широкоформатного ПДВ с менееточными, но более быстрыми алгоритмами решения. В силу того, что свойстваДВ прямоугольного сечения при большом различии поперечных размеров близкиксвойствампланарногоДВ,целесообразнопостроениеприближеннойматематической модели распространения волн в ШПДВ на основе планарногоДВ.Ключевым моментом задачисинтеза АФРзондирующегополявмногомодовом режиме ПДВ и, следовательно, проектирования ВП длядиагностики движения объектов в условиях зоны Френеля является разработкаспособов возбуждения требуемых мод ПДВ с определенным соотношением ихкомплексных амплитуд.В силу особенностей ДВ, как открытой линии передачи, резкиенерегулярности ДВ, как правило, приводят к значительному преобразованию моддискретногоспектраввытекающиеволны[46].Будемрассматриватьпреобразование волн на локальных неоднородностях и плавных нерегулярностяхДВ [34, 47].

Подобные задачи рассмотрены только для идеализированныхмоделей ДВ.До настоящего времени подобные задачи создания ВП с синтезируемымиволновыми полями для МРИ не рассматривались как в строгой постановке, всвязи со сложностью их решения, так и в прикладном аспекте. Лишь в работахМЭИ последних лет [11, 18, 48, 49, А4, А13, А14] этой проблеме уделенозначительноеформированиявнимание.Развитоезондирующихфизическоеволновыхпониманиеобразованийпроцессовдиэлектрическимиволноводными структурами является основой для решения поставленныхФормат ДВ F=b/a , где b – размер большей стороны сечения, a – малой стороны.

Последний, внашем случае, выбирается из условия одномодовости ДВ по ширине малой стороны сечения.114прикладных задач. В силу открытого характера ДВ их решение возможно толькоприближенными методами в сочетании с экспериментальными исследованиями ичисленным моделированием для обеспечения точности, достаточной для решенияконкретных практических задач.Такимобразом,многомодовыхсозданиеДВ,волноводныхобеспечивающихпреобразователейтребуемыенабазеамплитудно-фазовыехарактеристики зондирующего поля, необходимо для решения принципиальноновых задач многоканальной диагностики в различных областях применения[1-9].Целью работы является исследование возможности формирования АФРполей волноводных преобразователей на многомодовом широкоформатномпрямоугольном диэлектрическом волноводе, обеспечивающих эффективноевзаимодействие зондирующего волнового пучка с объектом диагностики инадежное извлечение информации о характеристиках его движения и динамикеизменения его формы для многоканальных систем диагностики.Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:1.

Синтез АФР зондирующего поля, описываемого моделью пучка ГауссаЭрмита нулевого порядка в виде разложения по собственным волнампрямоугольного ДВ, то есть определение необходимого набора мод ПДВ и ихсоотношения, реализующего синтезируемое АФР зондирующего поля.2.

Формирование требуемого набора мод широкоформатного ПДВ сзаданнымиамплитудно-фазовымисоотношениямипоп.1налокальныхнеоднородностях участка ШПДВ.3. Исследование влияния клиновидного перехода в проектируемыхволноводных преобразователях на результаты синтеза АФР зондирующего поля икоррекция результатов синтеза пп.

1-2.4.Разработкаконструкцийвышеперечисленныхрадиоинтерферометрии.задачдляпреобразователейприменениянавосноверешениямногоканальной15Методы исследования, используемые в работе. Открытый характер ДВ иприкладной характер работы обуславливает использование при решениипоставленных задач проверенных приближенных методов аналитическогоописания ПДВ на основе планарного ДВ [14], Фурье-преобразования, теориисвязанных волн [58]. Для установления достоверности решений с достаточной дляпрактических целей точностью, в работе используются экспериментальныеметоды исследования АФР в сочетании с численным моделированием в пакетеCST Microwave STUDIO.Научная новизна диссертационной работы1.

Обоснована возможность формирования зондирующего волновогообразованиясразличнойразрешающейспособностьюпопоперечнымкоординатам и независимым управлением АФР поля в двух ортогональныхнаправлениях широкоформатным ПДВ в многомодовом режиме.2. Предложена процедура синтеза АФР зондирующего поля в виде пучкаГаусса-Эрмита нулевогопорядка на основе волнНЕ11,НЕ13иНЕ15широкоформатного ПДВ, обеспечивающая достаточную для прикладных целейточность.3.

Предложен и практически реализован способ возбуждения требуемогонабора высших мод с заданными амплитудно-фазовыми соотношениями налокальных неоднородностях широкоформатного ПДВ.4.УточненыматематическиемоделиипроцедурасинтезаАФРзондирующего поля с учетом влияния клиновидного перехода в предложеннойприкладной конфигурации волноводных преобразователей на физическиепроцессы в них.5.Созданыконструкциипреобразователейдляприменениявмногоканальной радиоинтерферометрии. Их варианты которых защищеныпатентами РФ.Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения,списка используемых источников и четырех приложений.

Работа изложена на 16016страницахмашинописноготекста,включаяприложения(26стр.),проиллюстрирована 60 рисунками (и еще 10 в приложениях). Список цитируемойлитературы включает 82 наименования, в том числе 22 авторские работы.Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, данократкое описание проблемы, проведен анализ современного состояния вопроса,сформулированы цель работы и задачи исследований, научная новизна.В первой главе диссертации рассмотрены основные принципы созданияполя на апертуре преобразователя для формирования волнового пучка в задачахдиагностики перемещений объектов. Без потери общности, они рассмотреныприменительно к прикладной задаче – реконструкции формы объекта и динамикиее изменения при диагностике быстропротекающих газодинамических процессовмногоканальными РИ.Приведены результаты экспериментальных исследований клиновидных иконусныхконструкцийпреобразователей.Проанализированыобластиихприменимости.Сформулированы требования к зондирующим волновым пучкам длямногоканальной диагностики.

Показано, что существующим требованиям иусловиям диагностики удовлетворяют зондирующие волновые пучки ГауссаЭрмита нулевого порядка.Показано, что синтез АФР ПГЭ0 может быть обеспечен в многомодовомрежиме широкоформатного ПДВ. Предложена базовая конструкция ВП на основеотрезка ШПДВ с плавным переходом от одномодового ПДВ. Сформулированметод решения задачи синтеза.Во второй главе диссертации приведены результаты разработки процедурысинтеза АФР зондирующего поля на базе волн широкоформатного ПДВ.В силу близости свойств ШПДВ и планарного ДВ, для аналитическогоописания мод дискретного спектра ШПДВ рассмотрена приближенная модель наоснове ПлДВ (модель Z).