ПРИНЦИПЫ РЕАЛИЗАЦИИ И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ГОМОДИННЫХ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЙ

May 7, 2012 by admin Комментировать »

Широков И. Б., Синицын Д. В., Шабалина О. В. Севастопольский Национальный технический университет Севастополь, Стрелецкая бухта, Студгородок, 335053, СевНТУ, кафедра радиотехники тел. (+38 0692) 55-000-5, факс 55-414-5, E-mail: shirokov@stel.sebastopol.ua

Усиленный сигнал с частотой Q подается вместе с опорным сигналом на фазовый детектор, на выходе которого формируется напряжение пропорциональное разности фаз сигналов. Параллельно сигнал подается на амплитудный детектор. Таким образом, на выходе амплитудного детектора мы имеем

сигнал, пропорциональный Is – вносимому каналом связи затуханию, а на выходе фазового детектора

сигнал, пропорциональный 2Ф – вносимому каналом сдвигу фаз.

Рассмотрим основные области применения ра- диоволновых гомодинных методов.

Прежде всего – это научные исследования в области распространения радиоволн, позволяющие существенно расширить наши знания о физике атмосферы и Земли [5].

Применительно к задачам телекоммуникаций – это исследование амплитудно-фазовых характеристик атмосферных каналов связи в зависимости от метеорологических условий местности. Результаты данных работ представлены [6, 7].

Так же можно решать и обратную задачу – экологический мониторинг. Так фаза и амплитуда волны при прохождении через какую-либо неоднородность в атмосферном канале меняет свои значения в зависимости от вида неоднородности. В свою очередь, данный вид и изменение атмосферной неоднородности зависит от метеорологических параметров (температура, влажность, давление, скорость и направление ветра), а так же от присутствия в атмосфере различных газов, пыли и прочих объемно распределенных неоднородностей. В этом случае, получая зависимость набега фазы и амплитуды волны в точке приема, прошедшей через атмосферный канал связи, можно говорить о содержании в нем в определенной концентрации тех, либо иных веществ, что может позволить произвести газовый анализ на участке измерения или выявлять загрязненные области и пылевые облака.

В современных радиосистемах, использующих многопозиционную фазовую манипуляцию фазовая ошибка при распространении через неоднородный канал, может достигать значений больше, чем шаг манипуляции, что приводит к ошибкам передачи и как следствие к снижению скорости передачи информации. По результатам сканирования канала и определения флуктуации набега фазы, можно прогнозировать и, соответственно корректировать передачу данных. Подход к данной проблеме предпринят в работе [8].

Область применения радиоволновых гомодинных методов измерений может распространяться на контроль параметров технологических процессов. Это, в первую очередь:

–      неразрушающий контроль качества оптически непрозрачных изделий (выявление неоднородностей и определение плотности);

–      контроль параметров линейного и углового перемещения объектов (контроль параметров движения объектов имеющих несколько степеней свободы);

–      контроль скорости перемещения объекта;

–      контроль профиля поверхности;

–      контроль параметров механических колебаний;

–      определение дистанций и уровня жидкости [9-11];

–      определение скорости течения и качественного состава вещества в потоке.

В данных случаях контроль параметров осуществляется по набегу фазы сигнала на расстоянии с/ = фА/2А: до объекта, где ср^ – кумулятивная фаза, к = 2п/Х – волновое число [12].

Неразрушающий контроль качества изделий, т.е. сканирование какого-либо оптически непрозрачного объекта с последующим восстановлением его внутренней структуры (цифровая СВЧ голография) можно осуществить, определяя набег фазы и изменения амплитуды радиоволны, прошедшей через объект. Последующим сканированием по оптически непрозрачному объекту, можно записать картину ампли- тудно-фазового распределения, т.е. получить дискретную голограмму объекта, которую в дальнейшем можно восстановить, применяя алгоритмы обработки на ЭВМ. СВЧ голография может применяться при восстановлении внутреннего изображения оптически непрозрачных объектов, неразрушающего контроля качества оптически непрозрачных изделий, и т.д.

Гомодинные методы могут найти свое применение в технике построения и функционирования антенных решеток и антенных измерений [13]. Задача синтеза антенны при этом может быть существенно упрощена благодаря прямым измерениям амплитудно-фазовых распределений в раскрыве антенн.

Решение задач радиолокации и радионавигации также может быть осуществлено гомодинными методами [14,15]. При этом реализуемая точность фазовых радиотехнических систем существенно превосходит точность классических.

Особое место занимают гомодинные методы в области диагностики и медицинских исследований. В данном аспекте гомодинные методы представляют собой достойную замену рентгеновскому излучению, как наиболее опасному для живых организмов. Более того, в отличие от рентгеновских методов исследования, позволяющих контролировать только амплитудные изменения в органах и тканях, гомодинные методы позволят оценивать качественный состав последних и получать 3D изображения внутренних органов.

Точность определения геометрических размеров, координат, качественного состава объекта и т.п. на основе гомодинных методов, определяется длиной волны излучений, будь то радиоволновые, будь то акустические. Кроме этого на точность измерений влияет разрешающая способность самого измерителя разности фаз и амплитуды. Поскольку фазовые измерения согласно описанному выше методу производятся не на частоте несущей, а переносятся в область низких частот, то можно утверждать, что инструментальная погрешность измерения разности фаз практически не сказывается на точности проводимых измерений. Так для частоты измерения разности фаз в один килогерц не представляет особого труда чисто цифровыми методами получить разрешающую способность этих измерений в 1,4°, что соответствует 8 разрядам цифрового кода, и даже более. По очевидным соображениям разрядность цифрового кода целесообразно выбирать кратной восьми. Тогда для длины волны излучения 3 см (например, микроволновые излучения с частотой 10 ГГц), разрешающая способность определения геометрических размеров составит 3 / 256 = 0,12 (мм). Повышая частоту излучения и увеличивая число разрядов цифрового кода можно еще больше улучшать разрешающую способность проводимых измерений.

I.    Заключение

Подведя итоги, можно сказать, что гомодинные методы измерений являются наиболее универсальными, точными, и, что самое главное, простыми в реализации.

Область их применения достаточно широка. Это:

изучение распространения радио-, акустических

волн на открытых трассах;

экологический мониторинг местности;

–      телекоммуникация

измерение параметров стационарных и динамических объектов и процессов; радиолокация, радионавигация;

–      техника антенн и антенных измерений медицинские применения

и многое другое.

II.   Список литературы

[1]  .      Shirokov I. В., Ivashina М. V. Amplitude and Phase Progression Measurements on Microwave Line-of-Sight Links. IGARSS’01. Conf. Proceedings. Sydney, Australia, 9-

13 July 2001.-3646 pp.

[2]  .      Широков И. Б., Шабан С. А. Способ измерения флуктуаций набега фазы и углов прихода радиоволн. Пат. Украины № 58814 А, оп. в Бюл. № 8 15.08.2003 G01R 29/08.

[3]  .      Широков И. Б. Устройство для измерения амплитуды и разности фаз. А. С.1486942 (СССР), оп. в БИ

№ 22 15.06.1989 С01Р13/04.

[4]  .      Широков И. Б. Способ определения угла прихода радиоволн. А. С.1718149 (СССР), оп. в БИ

№ 9 07.03.1992 G01R 29/08.

[5]  .      Широков И. Б. The Determination of Microwave Propagation Mechanism on Line-of-Sight Links. IGARSS’03, Conf. Proceedings., Toulouse, France, 21-25 July 2003, Vol. VII: pp 4175-4176.

[6]  .      Shirokov I. S., Shaban S. A. Experimental Investigations of Amplitude and Phase Progression Fluctuations on Microwave Line-of-Sight Links. IGARSS’02, Conf. Proceedings. Toronto, Canada, 24-28 June 2002, Vol. VI: pp 3559-3560.

[7]  .      Shirokov I. S., Shaban S. A., Polivkin S. N, Sinitsyn

D. V. Exerimental Investigations of Amplitude and Phase Progression Fluctuations on Microwave Line-of-Sight Links in Relation with Natural Medium Condition. IGARSS’03, Conf. Proceedings., Toulouse, France, 21 -25 July 2003,

Vol. VII: pp 4177-4179.

[8]  .      Широков И. Б., Шабан С. А., Синицын Д. В., Поливкин С. Н. Нарытник Т. Н. К вопросу увеличения пропускной способности цифровых наземных микроволновых каналов связи с многопозиционной фазовой манипуляцией. 13-я Международная КрыМиКо 2003.

[9]  .      Широков И. Б. Измерение уровня жидкости микроволновым методом. 9-я Международная КрыМиКо 1999.

[10] .     Широков И. Б., Тарелкин И. А., Хайрединов Е. А. Микроволновый измеритель малых дистанций. 10-я Международная КрыМиКо 2000.

[11 ]. Широков И. Б. К вопросу устранения неоднозначности фазового микроволнового измерителя малых дистанций. 11-я Международная КрыМиКо 2001.

[12] .     Широков И. Б., Шабан С. А. К вопросу измерения флуктуаций амплитуды и набега фазы радиоволн. Между- нар. НТ журнал Вим1рювальна та обчислювальна тех- HiKa в технолопчних процессах. № 1, 2002.

[13] .     Shirokov I. В. The Method Of Determination Of The Amplitude And Phase Distribution In Antenna Aperture Plane. IV Int. Conf. on Antenna Theory and Techniques. 8-

12 September 2003, Sevastopol.

[14] .     Широков И. Б. Использование гомодинных методов в задачах освещения подводной обстановки в сечении контролируемой акватории. В сб. Состояние и развитие военно-морских сил вооруженных сил Украины на современном этапе. Ill НТК ВМС ВСУ, 27-28 ноябр. 2003, Севастополь.

[15] .     Широков И. Б., Бондюк В. Измерение дальности фазовым методом. Сб. научн. трудов СВМИ

им. П. С. Нахимова ВМС ВСУ, Севастополь, 2004.

Вып.1(4).

THE PRINCIPLES OF REALIZATION AND APPLICATION RANGE OF HOMODYNE MEASURING METHODS

Shirokov I. B., Sinitsyn D. V., Shabalina О. V. Sevastopol National Technical University 335053, Sevastopol, Strelezkaja bay, Studgorodok, SNTU,

Chair of radio engineering Phone: (+38 0692) 55-000-5, fax 55-414-5 E-mail: shirokov@stel. sebastopol. ua

Abstract -The homodyne methods of amplitude and phase measurements are presented. The range of applications of homodyne method is discussed.

I.  Introduction

Contactless control methods are well suitable in scientific investigations and applied problems solving. The high accuracy, quick response and wide spectrum of controlled parameters are the best features of ones.

In this paper the homodyne methods of signal amplitude and phase measuring are presented. Ones let us eliminate the influence of oscillation initial phase.

Homodyne methods are well suitable not only in radio wave measurements, but in acoustics.

II.  Main part

The main principle of homodyne methods is the using of initial oscillations as heterodyne ones for oscillations, which are passing through object under testing and have information about its parameters.

The equipment block diagram, which realizes the homodyne method, is presented on Fig. 1.

The initial oscillations are (1).

The transformed with retranslator oscillations are (2).

The picked out with mixer oscillations are (3).

So, the amplitude detector signal has information about insertion with channel loss L2 and phase detector signal has information about insertion with channel phase shift 2 Ф .

The homodyne methods application ranges are:

–    Scientific research in propagation, which allow expanding our knowledge about the Earth,

–    Ecological region monitoring,

–    Telecommunication,

–    Control of parameters of engineering process,

–    Antenna technique and antenna measurements,

–    Radar and navigation technique,

–    Medicine applications, and many others.

The accuracy of homodyne measuring methods depends on wavelength as well as instrumental resolving capacity. Because of the phase the measurements are carried out on low frequencies, the instrumental resolving capacity does not affect on measurement accuracy. So, for phase difference measuring frequency of one kilohertz the instrumental resolving capacity is reached 1.4° (8 bits of digital code) and more with digital manner. It is for the wavelength of 3 cm that corresponds to 0.12-mm accuracy.

III.  Conclusion

So, the homodyne methods are the most universal, high accuracy and, the most important, simply realized.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии»

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты