Диссертация (1090673), страница 4

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 4)

Сравнительный анализ методов бесконтактной виброметрииХарактеристикиМетод бесконтактной виброметрииУльтразвуковойРадиоволновыйОптический1…15 мм0,3…10 см0,4…1 мкм10…50 мкм100нм … 5 см50 нм … 1 м0…3 кГц0…500 кГц0…20 МГц10…30 мкм<100 нм<50 нм< 1,5…2 м<0,1…5 м<0,01…5 мНедостаткиНизкое разрешение,малый динамический диапазон, зависимость от микроклиматаСложность калибровки (для систем на базеамплитудного методазондирования)Сложность юстировки,высокие требования к поверхности объекта и средераспространенияДостоинстваДешевизна, компактность и простота реализации аппаратурыОтносительно низкиетребования к качествуповерхности, условная независимость отмикроклимата средыВысокая точность и разрешающая способность,широкий динамическийдиапазон, высокая чувствительностьДлина волны зондируемого сигналаДиапазон перемещенийДиапазон измеряемыхчастотРазрешениеРабочее расстояниедо поверхностиИз таблицы 2 для перечисленных методов можно выделить ряд основныхнедостатков: необходимость сохранения высокой стабильности частоты зондирующего радиосигнала; уязвимость к помехам; отсутствие возможности подповерхностного зондирования; для обеспечения высокой точности измерений необходимость уменьшения расстояния до зондируемой поверхности.Перечисленные недостатки в работе радиоволновых систем предлагаетсякомпенсировать применением субнаносекундных гауссовских радиоимпульсовбез несущего частотного заполнения [A1].22Таблица 2.

Сравнительный анализ методов радиоволновой виброметрииХарактеристикиДлина волнызондируемогосигналаДиапазон перемещенийДиапазон измеряемых частотРазрешениеРабочее расстояние до поверхностиИнтерференционныйМетод радиоволновой виброметрииНа эффектеРезонаторФазовыйныйДоплераЛокационный0,3…3 см0,3…3 см0,3…2 см10…30 см0,3…30 см100 нм…1 мм100 нм...1 мм1мкм…5см0,5 мм…10 см10 мкм…5см<100 кГц<20 кГц<100 кГц< 500 кГц< 500 кГц<50 нм<10 нм<500 нм>1 мм>50 мкм<3см<3см<2 см< 5 м (имп.фаз.)<5 м<5 мНеобходимость высокой стабильности частоты генератораНедостаткиДостоинстваПервичныйпараметр информации –амплитуда сигналаНизкое разрешение,Необходисложностьмость высоконструкции коточной каустройства,либровки,не регистри- тактированиеНеобходимость серьезного виброакустическогорует сложные и стробиродемпфирования из-за виброакустической завязформы колеваниеки при ближнем зондированиибанийМогут быть использованы только при ближнем зондированииРаботает на больших расстояПростота реаниях, почти независим от услолизации, привий микроклиматаВысокое разменим для отНезависиРегистрациярешение иносительноймость отвибропереточность реУдобен для(дифференциамплитудымещенийзагистрациинепосредстальной) оценкисигналаоптическиданныхвенной оценкинепрозрачпараметроввиброскоростиными превибрацийпятствиямиНеобходимость высокоточнойкалибровкиПредложенный в работе радиосенсорный метод СКИ-виброметрии в основеиспользует принципы импульсно-фазового метода РСЗ.

Главным преимуществом,вызывающим особый интерес к применению сверхкоротких радиоимпульсов безнесущего заполнения является их скрытность, помехоустойчивость, пространст-23венное сверхразрешение, хорошая проникающая способность через поглощающиесреды, конструктивная простота схемы генерации [2].Уменьшение длительности радиоимпульсного зондирующего сигнала позволяет: повысить точность измерения расстояния до поверхности и разрешающую способность по дальности; произвести идентификацию материала и оценитьгеометрию рельефа поверхности; повысить эффективность защиты от пассивныхпомех (смога, тумана, аэрозолей); устранить интерференционные провалы в ДНантенны; устранить лепестковую структуру вторичных ДН; повысить устойчивость системы к воздействию внешних узкополосных электромагнитных помех.1.4 Аналитические модели сверхкороткоимпульсных сигналовПод СКИ-сигналом понимают радиосигнал, показатель широкополосностиμ которого удовлетворяет условию мин    2 [22].

По определению показательширокополосности задается соотношениемff  f мин 2 макс,f0f макс  f мин(4)где f 0 , f мин , f макс – средняя, минимальная и максимальная частоты ФСПМ. Приэтом ширина полосы Δf  μf 0  500 МГц , fмин  f0 (1   / 2) ; fмакс  f0 (1   / 2) .Тем самым СКИ будем называть радиоимпульс, у которого относительнаяширина спектра превышает 25% от его центральной частоты f 0 ( мин  0,25 ), накоторую приходится максимум ФСПМ.

Значения величин f мин и f макс положимопределенными по относительному уровню -10 дБ убывания ФСПМ.Как правило, форма СКИ радиоимпульса представляет собой колебание изнескольких периодов, и в классическом варианте имеет несущую частоту заполнения, а в отдельных случаях – реализуется в качестве некоторой функции видеоимпульса и ее производных [22,40].24При использовании СКИ-сигналов особое внимание уделяется их электромагнитной совместимости с другими радиоэлектронными системами. Распределение ФСПМ излучаемых СКИ определено FCC-маской с учетом минимизациивлияния СКИ-устройств на беспроводные телекоммуникационные стандартыцифровой и аналоговой радиосвязи (рисунок 2) [39].Отсюда СКИ-сигналы рекомендовано использовать в диапазоне 3,1…10,6ГГц, при этом спектральная плотность мощности излучения не должна превышать -41,3 дБм/МГц [39].В работе генерация зондирующих СКИ осуществляется с применением видеоимпульсов субнаносекундной длительности, идеализированный механизмформообразования которых достигается реакцией сверхширокополосной антенны, как колебательного звена, в виде дифференцирующего отклика на дельтафункцию.

Обратимся к аналитическим моделям СКИ-радиосигналов [22].Рисунок 2. FFC-маска регулируемого распределения ФСПМ излучения СКИсигналовПри моделировании СКИ-сигналов и процессов их распространения, отражения, рассеивания и прохождения через поглощающие среды обычно придерживаются следующих требований к модели, представленной функцией s(t ) [22]:25 s (t )dt  0  S ( f ) 0,f 0  s s (0)  s(s )  0, s (t )  непрервына для t  ,(5)где  s  2(f 0 )  1 – длительность СКИ-сигнала во временной области,  – множество вещественных чисел.Критерий однозначности выбора математической модели СКИ-сигнала вомногом определяется не только удовлетворением требованиям (5), но и показателем воспроизводимости результатов численного моделирования радиосенсорнойсистемы эмпирически полученным данным, а, следовательно, эффективностьюпланирования эксперимента под конкретный приемопередающий модуль. Существует достаточное множество теорий аналитического описания СКИ-сигналов[22,38,41].

Среди них, главным образом, классифицируют нашедшие применениеследующие модели: вещественные и комплексные, эрмитовы и фрактальные, гауссовские и на базе вейвлет-функций [22,41].Ключевым свойством вещественных моделей СКИ-сигналов является то, чтопри их дифференцировании или интегрировании также получаются СКИ-сигналыиз этого же класса, причем дифференцирование на единицу увеличивает количество лепестков сигнала, а интегрирование на единицу уменьшает. При этом в первом случае показатель широкополосности  снижается, а во втором – возрастает[22]. Достоинством вещественных моделей СКИ-сигналов являются простота инепрерывность, что позволяет применять их при проведении аналитических расчетов, и делает их удобными для практической реализации. На практике вещественная модель представляет собой функцию типа гауссиан с заданной несущей.Математическим представлением вещественной модели является произведениемоноимпульса Гаусса на СВЧ гармонический сигнал, в то время как собственногауссовская модель является частным случаем вещественной без частотного заполнения [38].26Комплексные модели СКИ-сигналов могут быть построены на основе простейших вещественных моделей с помощью преобразования Гильберта.

Основные недостатки такой модели заключаются том, что даже для финитной моделиСКИ-сигнала ее преобразование Гильберта оказывается бесконечно дифференцируемой функцией, а, следовательно, хотя и хорошо локализованной, но принципиально неограниченной во времени.Эрмитовы, фрактальные и вейвлет-модели СКИ-сигналов относятся к классу моделей сложно реализуемых на практике для задач радиосенсорной локации ичаще всего находят применение при исследовании свойств распространения субнаносекундных сигналов в неоднородных и диспергирующих средах [22].Среди вышеперечисленных аналитических моделей в работе для математического описания СКИ-сигнала выбрана гауссовская модель импульса без несущего частотного заполнения, поскольку аппроксимированная функция видеоимпульса возбуждения узконаправленной антенны, формирующего сверхкороткийрадиоимпульс цифровым приемопередатчиком, как и сама огибающая радиосигнала, излучаемого МПЛ-антенной, аналитически повторяют кривую Гаусса.1.5 Основные выводы к главе 1Приведены необходимые теоретические сведения о линейных механическихвибрациях и их оцениваемых характеристиках.

Выполнен аналитический обзорметодов бесконтактного измерения механических колебаний: оптических, акустических и радиоволновых. Определено занимаемое место и рассмотрена классификация группы радиоволновых методов в виброметрии. Проведен сравнительныйанализ и определены достоинства, недостатки и особенности условий применениякаждого из методов вибродиагностики. Сформулирована актуальность применения субнаносекундных радиоимпульсов в общих вопросах радиофизики и прикладных задачах виброметрического СКИ РСЗ. Рассмотрены основные радиотехнические характеристики субнаносекундных радиоимпульсов.27ГЛАВА 2. Исследование время-спектральных характеристикгауссовских сверхкороткоимпульсных сигналов2.1 Гауссовская модель сверхкороткоимпульсного сигнала и методыоптимизации функции спектральной плотности мощностиИсследование радиофизических процессов априори предполагает математическое описание и анализ модели обрабатываемых сигналов.

Временное аналитическое представление гауссовской модели СКИ без несущего заполнения с двумяи более лепестками можно представить дифференциальным выражением n-го порядка [A6,A15]: t2 dn s (t )  G0 n  exp   2   .dt  2s  (n)(6)Здесь G0 – амплитуда видеоимпульса, причем  s  k s – длительность СКИ, гдеk – индекс отклонения, определяемый для относительного уровня оценки дли-тельности, и равный  при отсчете  s по уровню 0,5.При этом форма излучаемого антенной СКИ представляет собой производную 1-го порядка, а отраженного, либо рассеянного зондируемой поверхностью –производную n-го порядка, или их комбинацию. Отметим, что явно выраженнымв функции (6) параметром среднеквадратичного отклонения  s оперировать проще, так как длительность видеоимпульса величина все же условная по отношениюк выбранному уровню.

Характеристики

Список файлов диссертации