РАДИОВИДЕНИЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ УПРАВЛЯЕМОЙ ОТРАЖАТЕЛЬНОЙ РЕШЕТКИ
|
Реферат 2
Введение 4
1 Отражательные антенные решетки и их применения 8
1.1 Использование отражательных решеток в сканирующих антеннах 8
1.2 Зонная пластинка Френеля и её применение в антенной технике 12
2 Постановка задачи радиовидения и её решение 23
2.1 Управляемая отражательная решетка для решения задачи радиовидения 23
2.2 Использование свойств линзы Френеля для решения задачи
радиовидения 23
2.3 Численное моделирование фокусирующей системы на основе
отражательной решетки 30
2.4 Моделирование отражательной решетки. Создание ее
экспериментального макета на основе волноводного элемента и натурные исследования 34
2.4.1 Автоматизация экспериментов с отражательной решеткой 52
2.4.2 Фокусирующие свойства отражательной решетки 53
Заключение 60
Список использованной литературы 60
Приложение А Отчет о патентных исследованиях 63
Введение 4
1 Отражательные антенные решетки и их применения 8
1.1 Использование отражательных решеток в сканирующих антеннах 8
1.2 Зонная пластинка Френеля и её применение в антенной технике 12
2 Постановка задачи радиовидения и её решение 23
2.1 Управляемая отражательная решетка для решения задачи радиовидения 23
2.2 Использование свойств линзы Френеля для решения задачи
радиовидения 23
2.3 Численное моделирование фокусирующей системы на основе
отражательной решетки 30
2.4 Моделирование отражательной решетки. Создание ее
экспериментального макета на основе волноводного элемента и натурные исследования 34
2.4.1 Автоматизация экспериментов с отражательной решеткой 52
2.4.2 Фокусирующие свойства отражательной решетки 53
Заключение 60
Список использованной литературы 60
Приложение А Отчет о патентных исследованиях 63
В настоящее время системы радиовидения имеют множество перспективных приложений: контроль качества различных материалов, конструкций и сооружений, медицинская диагностика. В современный век высоких технологий и компьютерной техники стало возможно использование методов радиоволновой томографии. Как средств дистанционного неразрушающего контроля и диагностики внутренней структуры, полупрозрачных для радиоизлучения сред и восстановления формы непрозрачных объектов. В данный момент для решения задачи радиовидения, т.е. получения изображения при помощи радиоволн, исследования ведутся в нескольких основных направлениях, а именно пользуются методом радиоволновой томографии, который заключается в пересчете данных полученных на основе разностороннего (многоракурсного) радиоволнового зондирования исследуемых объектов, в его форму [1]. Также для ускорения процедуры сбора данных создают антенные решетки с электронным или электромеханическим сканированием исследуемой области [2-3]. Однако создание таких решеток является сложной, дорогостоящей задачей. Одним из основных требований, предъявляемых, к таким системам является работа в режиме реального времени. Такие системы исключают использование двухкоординатного механического сканирования, занимающего значительное время. Но если для обработки больших массивов данных, требующих быстрых расчетов, изобретены быстрые алгоритмы, то получение многоракурсных данных за малый промежуток времени остается проблематичным. В последнее время существует большая потребность промышленности в бесконтактных и автоматизированных средствах контроля качества продукции в строительной, деревообрабатывающей и других отраслях промышленности. Наилучшим средством для таких задач видится радиоволновая томография.
В текущей работе предложено решение задачи радиовидения при помощи решетки состоящей из пассивных отражателей с управляемым коэффициентом отражения. Данная решетка по расчетам способна обеспечить многоракурсное зондирование объектов в режиме реального времени.
Исходя из вышеизложенного, целью магистерской диссертации является разработка, пассивной томографической системы радиовидения на основе отражательной решетки с управляемым коэффициентом отражения.
Для достижения указанной цели в работе ставились следующие задачи диссертационной работы:
1) Численное моделирование процесса распространения электромагнитных волн в открытом пространстве с последующим переотражением. Проверка возможности получения радиоизображения с использованием отражательной решетки.
2) Разработка модели отражательной решетки и её электродинамическая проверка в программе «CST Microwave Studio».
3) Разработка лабораторного макета отражательной решетки и проведение экспериментальных исследований.
Таким образом, предметом исследования является: модель системы и процессов, происходящих в ней, предназначенная для разрешения задачи радиовидения, которая может сканировать некоторый объем пространства радиоволнами, при этом используется принцип отражательных решеток.
На защиту выносятся следующие научные положения:
1. Задача радиовидения разрешима за счет переотражения и фокусировки монохроматического излучения от опорного источника в заданную точку пространства путем задания каждому элементу отражательной решетки определенного фазового сдвига. Области равных фаз представляются в виде зон Френеля и рассчитываются для каждой точки фокусировки. Прием сфокусированного излучения осуществляется приемником, совмещенным с опорным источником.
2. Фокусирующая система реализуема на основе отражательной решетки (рабочая частота 24 ГГц), состоящей из элементов с управляемым коэффициентом отражения, каждый из которых представляет собой отрезок волновода (размер волновода 11x5,5 мм) со встроенным нелинейным элементом, который под действием управляющего напряжения изменяет свою емкость.
Достоверность полученных результатов: результаты, которые легли в основу первого защищаемого положения, получены аналитическими методами, достоверность которых подтверждается совпадением результатов с данными разносторонних численных решений (отличия не более 4 %). Все принятые приближения (однократного рассеяния, скалярное представление электромагнитных полей, изотропность излучателей) физически и математически обоснованы и находятся в полном согласии с известными положениями теории распространения радиоволн. Достоверность второго защищаемого положения обеспечивается совпадением экспериментальных и расчетных результатов изменения фазы, отраженной волны от элемента отражательной решетки; расчет осуществлялся в программе электромагнитного моделирования, фаза менялась в интервале от 0 до п, на частоте 24 ГГц (отличия не более 10 %). Достоверность результатов подтверждается также тем, что эксперименты проводились с использованием современного оборудования и соответствующих стандартам методик измерений.
Научная новизна заключается в следующем: для решения задачи радиовидения предложено использовать отражательную решетку с электронным сканированием, как альтернативу механическому сканированию и активным многоэлементным решеткам. Разработана программа для расчета зон Френеля для любых координат источника и точки фокусировки. В качестве фрагментов решетки используются, разработанные волноводные элементы, с управляемой фазой отраженной волны.
Научная ценность и практическая применимость: проведено моделирование антенной решетки состоящей из волноводных элементов в среде «CST Microwave Studio». Моделирование подтвердило возможность фокусировки монохроматического излучения решеткой из волноводных элементов. Результаты моделирования согласуются с результатами, полученными экспериментально. Использование отражательной решетки может увеличить скорость получения радиоизображения по сравнению с устройствами, которые сканируют электромеханическим методом.
Апробация работы: результаты работы докладывались и обсуждались на 4 Международных конференциях, также по теме диссертации опубликовано 6 работ, в том числе 2 статьи в журналах индексируемых в базе цитирования «Scopus» и одна статья в журнале, входящем в перечень ВАК. Результаты были использованы при выполнении следующего проекта: «Тактированные и фазированные СШП антенные решетки для радиовидения», госзадание № 3.694.2014/К, от 1 августа 2014 года, рук. Шипилов С.Э.
В текущей работе предложено решение задачи радиовидения при помощи решетки состоящей из пассивных отражателей с управляемым коэффициентом отражения. Данная решетка по расчетам способна обеспечить многоракурсное зондирование объектов в режиме реального времени.
Исходя из вышеизложенного, целью магистерской диссертации является разработка, пассивной томографической системы радиовидения на основе отражательной решетки с управляемым коэффициентом отражения.
Для достижения указанной цели в работе ставились следующие задачи диссертационной работы:
1) Численное моделирование процесса распространения электромагнитных волн в открытом пространстве с последующим переотражением. Проверка возможности получения радиоизображения с использованием отражательной решетки.
2) Разработка модели отражательной решетки и её электродинамическая проверка в программе «CST Microwave Studio».
3) Разработка лабораторного макета отражательной решетки и проведение экспериментальных исследований.
Таким образом, предметом исследования является: модель системы и процессов, происходящих в ней, предназначенная для разрешения задачи радиовидения, которая может сканировать некоторый объем пространства радиоволнами, при этом используется принцип отражательных решеток.
На защиту выносятся следующие научные положения:
1. Задача радиовидения разрешима за счет переотражения и фокусировки монохроматического излучения от опорного источника в заданную точку пространства путем задания каждому элементу отражательной решетки определенного фазового сдвига. Области равных фаз представляются в виде зон Френеля и рассчитываются для каждой точки фокусировки. Прием сфокусированного излучения осуществляется приемником, совмещенным с опорным источником.
2. Фокусирующая система реализуема на основе отражательной решетки (рабочая частота 24 ГГц), состоящей из элементов с управляемым коэффициентом отражения, каждый из которых представляет собой отрезок волновода (размер волновода 11x5,5 мм) со встроенным нелинейным элементом, который под действием управляющего напряжения изменяет свою емкость.
Достоверность полученных результатов: результаты, которые легли в основу первого защищаемого положения, получены аналитическими методами, достоверность которых подтверждается совпадением результатов с данными разносторонних численных решений (отличия не более 4 %). Все принятые приближения (однократного рассеяния, скалярное представление электромагнитных полей, изотропность излучателей) физически и математически обоснованы и находятся в полном согласии с известными положениями теории распространения радиоволн. Достоверность второго защищаемого положения обеспечивается совпадением экспериментальных и расчетных результатов изменения фазы, отраженной волны от элемента отражательной решетки; расчет осуществлялся в программе электромагнитного моделирования, фаза менялась в интервале от 0 до п, на частоте 24 ГГц (отличия не более 10 %). Достоверность результатов подтверждается также тем, что эксперименты проводились с использованием современного оборудования и соответствующих стандартам методик измерений.
Научная новизна заключается в следующем: для решения задачи радиовидения предложено использовать отражательную решетку с электронным сканированием, как альтернативу механическому сканированию и активным многоэлементным решеткам. Разработана программа для расчета зон Френеля для любых координат источника и точки фокусировки. В качестве фрагментов решетки используются, разработанные волноводные элементы, с управляемой фазой отраженной волны.
Научная ценность и практическая применимость: проведено моделирование антенной решетки состоящей из волноводных элементов в среде «CST Microwave Studio». Моделирование подтвердило возможность фокусировки монохроматического излучения решеткой из волноводных элементов. Результаты моделирования согласуются с результатами, полученными экспериментально. Использование отражательной решетки может увеличить скорость получения радиоизображения по сравнению с устройствами, которые сканируют электромеханическим методом.
Апробация работы: результаты работы докладывались и обсуждались на 4 Международных конференциях, также по теме диссертации опубликовано 6 работ, в том числе 2 статьи в журналах индексируемых в базе цитирования «Scopus» и одна статья в журнале, входящем в перечень ВАК. Результаты были использованы при выполнении следующего проекта: «Тактированные и фазированные СШП антенные решетки для радиовидения», госзадание № 3.694.2014/К, от 1 августа 2014 года, рук. Шипилов С.Э.
По результатам выполнения выпускной квалификационной работы проведен обзор литературы по теме диссертации и выполнен поиск существующих подходов для создания управляемых отражательных решеток. На основе проведенного анализа определены пути для разработки системы радиовидения с использованием отражательных решеток.
Разработана модель отражательной решетки состоящей из элементов с управляемым коэффициентом отражения. Проведенное исследование позволило проанализировать возможность использования этой решетки для фокусировки монохроматического излучения и решения задачи радиотомографии. Проведенное численное моделирование на тестовом объекте показало возможность восстановления формы зондируемого объекта.
На кафедре радиофизики был разработан и изготовлен волноводный отражательный элемент решетки. Сдвиг фазы при переключении управляющего напряжения составляет 180 (численно и экспериментально).
Проведено моделирование антенной решетки состоящей из волноводных элементов в среде «CST Microwave Studio». Моделирование подтвердило возможность фокусировки монохроматического излучения решеткой из волноводных элементов.
Разработана и создана решетка, состоящая из этих элементов. Число элементов данной решетки 100 штук. С ней проведены эксперименты, которые подтвердили, что в зависимости от управляющего напряжения, фаза отраженной волны изменяется на 180 . Автоматизированные эксперименты подтвердили фокусирующие свойства такой решетки.
Автор ВКР выражает свою искреннюю благодарность научному руководителю за оказанную им помощь в выполнении работы, а также Антипову В.Б. за разработку элемента решетки и полезные советы при изготовлении решетки. Балзовскому Е.В. за помощь с оборудованием. И всему коллективу кафедры радиофизики ТГУ за внимание и полезные советы в ходе исследований.
Разработана модель отражательной решетки состоящей из элементов с управляемым коэффициентом отражения. Проведенное исследование позволило проанализировать возможность использования этой решетки для фокусировки монохроматического излучения и решения задачи радиотомографии. Проведенное численное моделирование на тестовом объекте показало возможность восстановления формы зондируемого объекта.
На кафедре радиофизики был разработан и изготовлен волноводный отражательный элемент решетки. Сдвиг фазы при переключении управляющего напряжения составляет 180 (численно и экспериментально).
Проведено моделирование антенной решетки состоящей из волноводных элементов в среде «CST Microwave Studio». Моделирование подтвердило возможность фокусировки монохроматического излучения решеткой из волноводных элементов.
Разработана и создана решетка, состоящая из этих элементов. Число элементов данной решетки 100 штук. С ней проведены эксперименты, которые подтвердили, что в зависимости от управляющего напряжения, фаза отраженной волны изменяется на 180 . Автоматизированные эксперименты подтвердили фокусирующие свойства такой решетки.
Автор ВКР выражает свою искреннюю благодарность научному руководителю за оказанную им помощь в выполнении работы, а также Антипову В.Б. за разработку элемента решетки и полезные советы при изготовлении решетки. Балзовскому Е.В. за помощь с оборудованием. И всему коллективу кафедры радиофизики ТГУ за внимание и полезные советы в ходе исследований.
