пояснювальна записка випускної кваліфікаційної роботи бакалавра: 53 c., рис. 33, табл. 12, джерел 9 - реферат

Титульный лист

Стр 1

Задание

Стр 2
РЕФЕРАТ

Пояснювальна записка випускної кваліфікаційної роботи бакалавра: 53 c., рис. 33, табл. 12, джерел 9.

В роботе дана характеристика содарів. Показано, що одним з основних елеменів содарів є антена система. Приведені розрахункові співідношення для отримання характеристик направленості апертурних антен, на якіх побудована антена система (випромінювач зондуючего сигналу) содару, що розглядаеться. Розрахована диаграма спрямованості адаптивного випромінювача зондуючого сигналу. Під адаптаціею розуміється можливість овипромінювача змінювати свої характеристики спрямованості шляхом зміни частоти зондуючого сигналу. Приведені експериментальні дані підтверджують проведені розрахункі. Також експериментальним шляхом отримані оцінки захисних властивостей елементів конструкції содару, що розглядается. Дани рекомендації по вибору частотних діапазонів роботи та вибору матеріалів для виготовлення содару.

Область використання – акустичні пристрої зондування атмосфери, системи обробки сигналів.

СОДАР, ДИАГРАМА СПРЯМОВАНОСТІ, ЧАСТОТНИЙ ДІАПАЗОН, АКУСТИЧНІ ЗАХИСНІ ЕКРАНИ, ВІДБИТТЯ, ПРОХОДЖЕННЯ

РЕФЕРАТ

Расчетно-пояснительная записка содержит: 53 c., рис.33, табл. 12, источников 9.

В работе дана характеристика содаров. Показано, что одним из основных элементов содаров является антенная система. Приведены расчетные соотношения для получения характеристик направленности аппертурных антенн, на которых построена антенная система (излучатель зондирующего сигнала) рассматриваемого содара. Рассчитана диаграмма направленности рассматриваемого адаптивного излучателя зондирующего сигнала. Под адаптацией понимается возможность излучателя изменять характеристики направленности путем изменения частоты зондирующего сигнала. Приведенные экспериментальные данные подтверждают проведенные расчеты. Так же экспериментальным путем получены оценки защитных свойств элементов конструкции рассматриваемого содара. Дани рекомендации по выбору частотных диапазонов работы и выбору материалов для изготовления содара.

Область использования – акустические устройства зондирования атмосферы, системы обработки сигналов.

СОДАР, ДИАГРАММА НАПРАВЛЕННОСТИ, ЧАСТОТНЫЙ ДИАПАЗОН, АКУСТИЧЕСКИЕ ЗАЩИТНЫЕ ЭКРАНЫ, ОТРАЖЕНИЕ, ПРОХОЖДЕНИЕ

СОДЕРЖАНИЕ

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ

АЧХ- амплитудно-частотная характеристика.

ФЧХ- фазо-частотная характеристика.

ФАР- фазировано-антенная решетка.

ДН- диаграмма направленности.

АИЗС- адаптивный излучатель зондирующего сигнала.

ВВЕДЕНИЕ

Большое количество областей народного хозяйства Украины требуют оперативную информацию о состоянии нижних слоёв атмосферы. К таким областям можно отнести авиационную метеорологию, обеспечение взлета и посадки летательных аппаратов различного назначения, прогнозирование распространения газо-аэрозольных выбросов объектов химической промышленности и атомных электростанций.

В научной литературе последнего времени уделяется всё больше внимания использованию содаров для акустического зондирования нижних слоев атмосферы. Одним из основных элементов содаров является акустическая антенная система, обеспечивающая излучение зондирующего сигнала. Таким образом, вопросы разработки отечественных содаров в интересах различных областей народного хозяйства, а также для использования содаров для обеспечения учебного процесса являются актуальными. Поэтому тема квалификационной работы «Адаптивный излучатель зондирующего сигнала» актуальна.

Целью квалификационной работы является оценка характеристик направленности антенной системы и защитных свойств элементов конструкции адаптивного излучателя зондирующего сигнала содара.

Предметом исследования являются характеристика направленности антенной системы и защитные свойства элементов конструкции адаптивного излучателя зондирующего сигнала содара

Объектом исследования является адаптивный излучатель зондирующего сигнала содара

В работе дана характеристика и описаны принципы построения современных содаров, описаны аппертурные антенны, которые целесообразно использовать в антенных системах содаров. Приведены аналитические соотношения для расчета направленных свойств антенной системы содара. Теоретические расчеты подтверждены результатами натурных и полунатурных экспериментов по оценке амплитудно-фазового распределения по апертуре антенны, защитных свойств различных материалов применяемых для построения содара.

В заключении работы даны практические рекомендации по построению адаптивного излучателя зондирующего сигнала и по построению элементов конструкции содара с наибольшими защитными свойствами.

1 ХАРАКТЕРИСТИКИ АКУСТИЧЕСКИХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ

1.1 Характеристика содаров

Метеорологическая информация о турбулентных неоднородностях пограничного слоя атмосферы, скорости и направлении ветра, характеристиках движения гидрометеоров широко востребована в различных областях науки и техники. Постоянный мониторинг состояния атмосферы на дальностях до десятка километров необходим для прогноза распространения газо-аэрозольных выбросов, для нужд авиационной метеорологии при обеспечении взлёта и посадки летательных аппаратов, в других областях народного хозяйства, где требуются оперативные сведения и базы данных о состоянии нижнего слоя тропосферы.

В последнее время в зарубежной и отечественной научной литературе все больше внимания уделяется использованию содаров для нужд микро-метеорологии,

Содары это акустические системы, используемые для дистанционного измерения структуры вертикальной турбулентности и профиля ветра в нижних слоях атмосферы.

Большинство систем содаров работают, излучая за короткие промежутки времени акустический импульсный сигнал, и затем анализируя принятый отраженный сигнал.

Для того, чтобы определить характеристики вихря (угловую скорость вращающегося объема, его размер, свойства воздушной массы), достаточно измерить параметры в трех точках. Поэтому ширина диаграммы направленности (ДН) антенны определяется из условия θд min= 0,3L / r . Требуемую ширину главного лепестка предварительно можно оценить величиной не более 5…10°. У реальных содаров ДН, обычно, имеет большее значение, до 20…30°. Еще одним важным условием является диапазон дальностей действия содаров. При зондировании АПС на рабочих частотах содаров 1…5 кГц диапазон дальностей зондирования составляет не более, чем 30...104 .[6]

Основной компонент системы – антенна. Типом антенны различаются различные содары. Одно из передовых достижений – это всепогодные антенны. Для этого используется несколько подходов. Один из первоначальных подходов – использовать параболические тарелки, с направленной вверх фокальной точкой. Громкоговоритель устанавливается в фокальной точке, сигнал направлен вниз, к поверхности параболической тарелки, что обеспечивает защиту громкоговорителя от прямых осадков. Вообще, оболочка, использованная вокруг параболических тарелок, необходима для уменьшения боковой интерференции, а также для экранирования антенны от шума ветра и постороннего шума. В многоосевой системе обычно используются три параболических антенны, одна из которых направлена вертикально, а другие – под небольшим углом (обычно 20 -30°). Во время работы содара все три антенны могут быть использованы последовательно или одновременно. При одновременном использовании всех трех антенн они работают с различной частотой, поэтому рассеянные сигналы не влияют друг на друга

Для покупки или заказа полной версии работы перейдите по ссылке.

Порядок распространения звуков в атмосфере изучается уже более 200 лет, но только в последние 50 лет акустическое рассеяние используется как средство изучения структуры слоев атмосферы. В США во время второй мировой войны акустический анализатор рассеянного сигнала в атмосфере был использован для проверки низкотемпературных инверсий, поскольку они влияют на распространение звуковых волн. В конце 1950-х годов исследования с использованием анализатора рассеянного сигнала, проведенные в СССР и Австралии, показали, что эхо может быть надежно использовано на высоте до нескольких сотен метров. Начиная с конца 60-х – начала 70-х годов, ученые Национальной Океанической и Атмосферной Администрации (U.S. National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) продемонстрировали практическую применимость акустических зондов для измерения ветра в атмосфере с использованием принципа сдвига Доплера, а также для контроля структуры температурных инверсий.

В 70-е годы разработкой и модернизацией конструкций акустических зондов серьезно занимались несколько научно-исследовательских групп в США. Одной из первых моделей, созданных в коммерческих целях, был содар модели 300, выпущенный корпорацией AeroVironment, Inc. , Калифорния. Эта система была спроектирована с целью измерения структуры турбулентности атмосферы и позволяла получать данные на высоте до нескольких сотен метров. В 1974 году NOAA разработала содар Марк VII, который представлял собой портативную систему, которую назвали акустическим эхозондом. Оба содара (модель 300 и Марк VII) были спроектированы на базе параболической тарелки диаметром 1,2 м. В их комплект входил аналоговый самописец для составления отчетов об уровне отраженного сигнала.

В 1975 году исследователи Университета Невада совместно с корпорацией Scientific Engineering System, Inc. (SES) разработали первый цифровой акустический зонд, внедрив в систему микрокомпьютер. В последующем благодаря работам, выполненным в SES NOAA появился трех-осевой цифровой акустический содар. Это была современная система, способная измерять Доплеровский сдвиг и интенсивность отраженного сигнала в реальном времени. Трех-осевая система позволила определять вертикальный профиль скорости и направления ветра. В конце 1970-х годов SES разработала коммерческий Доплеровский содар, который был назван Echosonde®. В начале 80-х корпорация Radian Corporation использовала Echosonde для создания трех-осевого Доплеровского содара с микрокомпьютером.

В 80-х годах разработки Доплеровских содаров осуществлялись параллельно другими компаниями, в частности Xonics, Inc., которая предложила Xondar содар, позволявший контролировать профиль ветра и турбулентность. AeroVironment, Inc. Предложила содар AVIT. Это была трех-осевая система на базе трех регулируемых параболических тарелок, которые работали последовательно. Одна была направлена вертикально, другие две были сориентированы в двух направлениях под углом в 30 ° по отношению к вертикальной оси.

Содары для коммерческого использования были также разработаны в Австралии, Японии, Германии и Франции. Наиболее известен среди них – содар компании Remtech (Франция). Эта компания одной их первых коммерциализировала содары с фазовой антенной решеткой, которые позволяли измерять сдвиг Доплера и параметры турбулентности на высоте 1000 м и более. Remtech также одним из первых применил мультичастотное кодирование в содарах, что позволило значительно увеличить высоту. Среди других компаний, создавших содары для коммерческого использования – Metek и Scintec в Германии, Kaijo Corporation в Японии, Atmospheric Research Pty Ltd в Австралии.

Содары с фазовой антенной решеткой были созданы в США в конце 80-х – начале 90-х годов в компаниях Xonics, Radian Corporation и AeroVironment. Содар ART модели VT-1 был разработан в конце 90-х годов. Модель VT-1 – это содар с фазовой антенной решеткой, в котором использован переносной компьютер для управления системой. Благодаря этому управление системой VT-1 значительно упростилось. Для этого уже не требовалось громоздких электронных блоков. Эта система может питаться от батарей и полностью автономна. Она размещается в небольшой оболочке, делающей ее удобной для использования в любом месте. Использование высокой частоты, снижение звуковой нагрузки на окружающее среду, уменьшение влияние постороннего шума на работу содара позволили значительно снизить требования к месту его установки.

1.2 Характеристики некоторых содаров

Метеорологический акустический доплеровский локатор «Волна-4» предназначен для оперативной дистанционной диагностики высотно-временной структуры области интенсивного турбулентного теплообмена в нижнем слое атмосферы над точкой наблюдения, а также измерения профилей скорости и направления ветра.

Технические характеристики:

Потенциальная высота зондирования 1200 м

Диапазон измеряемых скоростей ветра 1—30 м/с

Шаг по высоте при измерении ветра 5—25 м

Шаг по времени при измерении ветра 1—20 мин.

Акустический локатор (содар) VT-1 обеспечивает виртуальную поддержку для дистанционных наблюдений профиля скорости ветра в зависимости от высоты, которая может составлять величину до 300 м. Система состоит акустической антенны, электронного модуля и переносного компьютера с программным обеспечением.

Система может быть использована для определения высоты слоя и условий перемешивания в атмосфере, определения инверсий и их характеристик.

Для покупки или заказа полной версии работы перейдите по ссылке.

Рисунок 1.1 – Метеорологический акустический доплеровский локатор «Волна-4»

Для покупки или заказа полной версии работы перейдите по ссылке.

Рисунок 1.2 – Акустический локатор (содар) VT-1

Технические характеристики:

Максимальная высота 300 м

Минимальная высота 15 м

Разрешение по высоте от 20 м

Частота сигнала 4504 Гц

Интервал усреднения 2 – 60 мин (регулируемый)

Диапазон измерения скорости ветра 0 – 25 м/с

ФАР 5АР

Предназначена для формирования в пространстве веера направленных лепестков диаграмм направленности, позволяющих осуществить помехоустойчивый направленный многоканальный прием электромагнитных излучений диапазона декаметровых волн одновременно по нескольким направлениям.

1.3 Типы излучателей

Существуют различные типы акустических излучателей некоторые из них будут рассмотрены тут

Для покупки или заказа полной версии работы перейдите по ссылке.

Рупорные антенны известны трех типов: пирамидальный, секюриальный, конический

Рисунок 1.3 – Рупорная антенна пирамидальный, секюриальный вида

Для покупки или заказа полной версии работы перейдите по ссылке.

Рисунок 1.4 – Рупорная антенна конического вида

Рупорные антенны простые и широкополосные. Они находят широкое применение как самостоятельные антенны (особенно в из­мерительной технике), так и в качестве элементов более сложных антенн.

Недостатком рупорных антенн является трудность получения узких диаграмм направленности.

Антенны оптического типа. К антеннам оптического типа отно­сятся зеркальные (рефлекторные).

Принцип работы этих антенн заимствован из оптики. Антенны состоят пз двух элементов—первичного источника (облучателя) и зеркала, преобразующих расходящийся от точечного облучателя пучок лучей в параллельный па выходе системы.

Для покупки или заказа полной версии работы перейдите по ссылке.

Зеркальные антенны получили весьма широкое распростране­ние. Они являются основным типом антенн, применяемых в настоя­щее время с радиолокации, космической связи, радиоастроно­мии Применяются зеркала различной формы - параболоид враще­ния, усеченный параболоид, параболический цилиндр и т. д. В настоящее время широкое применение находят многозеркальные кон­струкции.

Рисунок 1.5 – Зеркальная антенна

ВЫВОДЫ

Содары это акустические системы, используемые для дистанционного измерения структуры вертикальной турбулентности и профиля ветра в нижних слоях атмосферы

Ширина ДН антенны содара определяется из условия θд min= 0,3L / r . Требуемая ширина главного лепестка оценивается величиной не более 5…10°. У реальных содаров ширина ДН составляет 20…30°. Диапазон дальностей действия содаров при зондировании АПС на рабочих частотах содаров 1…5 кГц составляет 30...10⁴ длин волн. [6]

Антенны следующих типов нашли наибольшее применение в акустической локации: рупорные и зеркальные антенны. Рупорные известны трех типов: пирамидального, секюриального, конического. Широкое применение нашли зеркальные антенны следующих форм - параболоид враще­ния, усеченный параболоид, параболический цилиндр, широкое применение находят многозеркальные кон­струкции антенны.

2 ХАРАКТЕРИСТИКА НАПРАВЛЕННЫХ СВОЙСТВ

АДАПТИВНОГО ИЗЛУЧАТЕЛЯ ЗОНДИРКЮЩЕГО СИГНАЛА

2.1 Расчет диаграммы направленности аппертурной антенны

В силу принципа суперпозиции поле любой антенны можно представить в виде:

(2.1)

Здесь -поля возбуждаемые отдельными (элементарными - для аппретурных антенн) излучателями образующими антенну.

В [1] показано что поле, создаваемое антенной в точке Р описывается следующим выражением

, (2.2)

где - поле создаваемое элементарным изотропным излучателя типа объемного тока (диполи Герца), находящегося в начале координат и занимающего единичный объем;

- множитель системы, описывающий интерференционную картину излучателей образующих антенну.

Интеграл представляет собою множитель системы

. (2.3)

Из (2.3) видно, что множитель системы зависит от АФР в системе и расположения излучателей. Оно показывает, что и для непрерывной системы идентичных и одинаково ориентированных излучателей правило перемножения, т. е. соотношение (2.2), имеет место.

Правило перемножения существенно облегчает расчет и анализ поля и ДН сложных антенн. Оно позволяет видеть какие особенности поля и ДН антенны порождаются свойствами излучателя и особенности обусловлены интерференцией полей излучателей (множителем системы )

В этом плане укажем ряд вытекающих из правила перемножения практически важных следствий, справедливых, естественно, как для непрерывных так и для дискретных систем:

1. Если излучатель в какой-либо плоскости не обладает направленностью, то результирующая ДН антенны в этой плоскости будет совпадать с множителем системы.

2. Как видно из (2.1), поляризация поля сложной антенны определяется векторной функцией т.е. типом излучателя Что же касается направленных свойств сложной антенны, то они определяются в основном множителем системы.

3. Для покупки или заказа полной версии работы перейдите по ссылке.

Рассмотрим закономерности формирования волнового, поля зонди­рующего объект. Это поле формируется излучателем конечных размеров. Наиболее часто встречающийся случай излучателя - это апертурная антенна. Практическую ценность представляют результаты, полученные для круглых апертурных антенн. Рассмотрим этот случай детально

Как правило, вариации поля по азимуту апертуры отсутствуют. Тогда спектральная плотность пространственных гармоник А_s излучаемого поля зависит только от угла места -θ. Спектр пространственных гармоник для синфазного возбуждения в раскрыве, имеющего радиус г₀ , имеет вид [8]:

, (2.7)

где А_г (r) - распределение возбуждающего поля в апертуре,

Данное преобразование не позволяет точно учесть все процессы на реальной апертуре. В частности, затекание за края, кривизну отражающей по­верхности и так далее. Но и без учета этих физических факторов выражение (2.7) хорошо описывает поле только для углов вблизи главного лепестка. По­этому, прежде чем рассматривать процесс приема отраженного поля, оценим погрешности такого приближения для условий, которые обычно имеют место в системах РАЗ и АЗ. Эти системы имеют антенны, у которых главный лепесток имеет ширину 5... 15°. Поэтому можно воспользоваться численным примером и рассмотреть обратное преобразование спектра А_s ( ) по составляющим, находящимся в области действительных углов. Тогда получаем:

. (2.8)

На рисунке 2.4 представлены результаты расчетов последовательного при­менения формул (2.7)и (2.8) к квадратичному распределению на круглых апертурах, имеющих радиусы га равные 2, 3 и 7 длин волн К. Полученные графики представлены сплошной линией (r_а =2λ,), пунктирной (r_а =Зλ) и штриховой линией (r_а =7λ).

Можно отметить, что при увеличении г₀ точность восстановления поля на апертуре возрастает. При больших радиусах погрешность, вносимая этим фактором, будет соизмерима с погрешностью вносимой конструкционными элементами реальных антенн. Поэтому можно считать, что данный метод обладает достаточной точностью для проведения расчетов в случаях РАЗ и АЗ.

В произвольной точке пространства поле определяется известным вы­ражением:

. (2.9)

Поскольку поле круглой антенны осесимметрично, то здесь использована цилиндрическая система координат (r и z - координаты точки в про­странстве).

Для покупки или заказа полной версии работы перейдите по ссылке.

Рисунок 2.4 – Расчет распределения поля на круглой апертуре

Формирование поля в пространстве представлено на рис.2.4 а,б,в. Здесь в координатах r и z показана амплитуда поля от источника, которые имеют раскрывы 3λ, 5λ, и 10λ, и квадратичное распределение поля в апертуре. Квадратичное распределение наилучшим образом соответствует реальным распределениям возбуждения в антеннах систем РАЗ и АЗ.

Размеры по осям r и z отложены в относительных единицах, причем единицей выбран размер 0,5λ.

Эти рисунки показывают, что поле источника имеет ряд областей, свойства в которых существенно различаются. В непосредственной близости от источника поле в зависимости от расстояния изменяется слабо. Это посто­янство поля усиливается с ростом размеров апертуры (r_а > 10λ). Распределе­ние поля в основном повторяет распределение возбуждения на апертуре. Эту область иногда называют зоной прожекторного луча, она составляет ближ­нюю зону антенны.

В следующей области, осцилляции поля значительны. Ее называют пе­реходной зоной, в ней плоский фазовый фронт волны, выходящей из аперту­ры излучателя переходит в сферический фронт волны, которая распространяется в свободном пространстве. Это объясняет наличие значительных флук­туации, амплитуда поля в этой зоне может на 10.. .20% превышать амплитуду поля на раскрыве. В этой зоне амплитудное распределение качественно трансформируется, поскольку вблизи антенны основной поток мощности не меняет сечения, оставаясь почти постоянным, а в свободном пространстве дальней зоны он сферически расходится. В промежуточной зоне осцилляции поля определяются интерференцией волн приходящих из разных участков апертуры.

В дальней зоне не изменяется относительное распределение поля по углу при линейном уменьшении амплитуды поля в зависимости от расстоя­ния г. Так формируется диаграмма направленности (ДН), антенны.

ВЫВОДЫ

Поле создаваемое антенной в любой точке пространства определяется суперпозицией её элементарных излучателей. Если эти излучатели являются изотропным, то поле создаваемое антенной множителем системы излучателей образующих антенну, которым описывается их интерференционная картина

Множитель системы и АФР связаны между собою преобразованием Фурье. То есть множитель системы представляет собою угловой спектр амплитудно-фазового распределения. Поэтому при исследовании влияния АФР на характер множителя системы весьма полезно использовать известные из теории преобразования Фурье общие положения о связи характера функции и ее спектра.

Для покупки или заказа полной версии работы перейдите по ссылке.

Рисунок 2.5 - Пространственное распределение поля круглой апертуры при r_а (r_а > 3 )(а). и (r_а > 5 )(б).(r_а > 10 ).(в)

К основным закономерностям формирования сигнала в системах волнового зондирования относятся следующие: формирование поля зондирующих волн, временная зависимость, и возможность посылок сигнала, параметры которого согласуются в соответствии с ожидаемыми свойствами объекта. Эти черты наиболее общие для всех волновых дистанционных методов, основанных на использовании волн любой природы. В произвольной точке пространства поле создаваемое апертурой антенной определяется известным вы­ражением (2.9).

В дальней зоне не изменяется относительное распределение поля по углу при линейном уменьшении амплитуды поля в зависимости от расстоя­ния г. Так формируется диаграмма направленности антенны.

3 АЛГОРИТМ РАСЧЕТА НАПРАВЛЕННЫХ СВОЙСТВ

АДАПТИВНОГО ИЗЛУЧАТЕЛЯ ЗОНДИРУЮЩЕГО СИГНАЛА

Амплитудно-фазовое распределение в раскрыве полностью описывает диаграмма направленности исследуемой антенны. Как показано в предыдущем разделе, для получения диаграммы направленности необходимо выполнить операцию преобразования Фурье от вектора составленного из выбора значений АФР в раскрыве.

В соответствии с заданием на работу рассматривалась сферическая антенна диаметром 60 см. с акустическим динамиком установленным в её центре. При учете направленных свойств динамика АФР в раскрыве антенны можно принять как спадающее к краям (по функции cos) используемая длинна волны составляет 6 см. на рисунке 3.1 приведен алгоритм расчета направленных свойств антенны излучателя зондирующего сигнала. Алгоритм построен на основе математической модели разработанной автором квалификационной работы [7, 8].

Согласно приведенного алгоритма в первом элементе необходимо ввести геометрические размеры антенны (диаметр L), длину волны зондирующего сигнала (λ), вид и основные характеристики АФР. Если получены экспериментально снятые данные, описывающие зависимость значений АФР на апертуре антенны, то они могут использоваться как исходные данные.

Важным при введении АФР является выбор интервала дискретизации по апертуре антенны, который должен составлять половину длины волны.

Следующим элементом алгоритма является проверка наличия экспериментальных данных. При их наличие после ввода формируется вектор экспериментальных данных АФР, если экспериментальные данные отсутствуют, то переходят к проверке вида АФР. После определения вида АФР формируется вектора для равномерного распределения или для спадающего к краям.

Для покупки или заказа полной версии работы перейдите по ссылке.

Для покупки или заказа полной версии работы перейдите по ссылке.

Результаты, приведенные на рисунке 3.3, позволяют осуществлять адаптацию излучателя зондирующего сигнала на базе рассматриваемой антенны к условиям внешней среды. Под которыми понимается наличие внешних шумов на соответствующих частотах, различную величину гидрометеоров и геометрические размеры метеообразований (изменение частоты зондирующего сигнала или ширины диаграммы направленности).

Рисунок 3.3 зависимость ширины диаграммы направленности от различных длин волн

Для получения результатов используется пакет современных прикладных программ Matlab 6.5. Преобразование Фурье реализуется с использованием встроенной функции fft, которая по входному вектору выдает оценку спектра с заданной дискретностью.

ВЫВОДЫ

Алгоритм расчета направленных свойств антенны адаптивного излучателя зондирующего сигнала приведен на рисунке 3.1. В соответствии с заданием на работу рассматривается сферическая антенна диаметром 60 см. с акустическим динамиком установленным в её центре. При этом в раскрыве антенны можно принять амплитудное распределение поля как спадающее к краям (по функции cos). Длина волны излучателя составляет 6 см.

Алгоритм предполагает ввод данных, формирование вектора АФР, выполнение операции преобразования Фурье, перекомпоновку данных, нормировку результата к максимальному значению, оценку ширины диаграммы направленности, вывод полученных результатов и графиков.

Рассчитанная диаграмма направленности адаптивного излучателя зондирующего сигнала в условиях задания на квалификационную работу показано на рисунке 3.2.

Зависимость ширины диаграммы направленности от длины волны излучаемого сигнала приведены на рисунке 3.3. Эти результаты позволяют оценить возможности по адаптации излучателя зондирующего сигнала на базе рассматриваемой антенны к условиям внешней среды. Под которыми понимается наличие внешних шумов на соответствующих частотах, различную величину гидрометеоров и геометрические размеры метеообразований (изменение частоты зондирующего сигнала или ширины диаграммы направленности)

4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ХАРАКТЕРИСТИК НАПРАВЛЕННОСТИ АНТЕННОЙ СИСТЕМЫ И ЗАЩИТНЫХ СВОЙСТВ ЕЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИИ СОДАРА

4.1 Исследование диаграммы направленности облучателя антенной системы содара

В качестве излучателя антенной системы содара планируется использование акустического динамика.

Задача состояла в определении диаграммы направленности динамика на частотах 5 кГц и 8 КГц.

В связи с отсутствием безэховой камеры в условиях аудитории использовался поглотитель, которым огораживалось место проведения эксперимента.

В проведении эксперимента задействованы следующие устройства:

передатчик – акустический динамик;

генератор гармонических колебаний;

приёмник – акустический микрофон;

осциллограф;

экран;

акустический поглотитель.

Выходной сигнал генератора гармонических колебаний поступал на вход динамика, который устанавливался под различными углами к экрану. Экран размещался на расстоянии 5 длин волн от приемника и двух длин волн от динамика. Микрофон устанавливался напротив края экрана. Акустический сигнал излучался динамиком и облучал под заданным углом экран, переотражался от края экрана в направлении микрофона. Уровень принятого сигнала микрофоном соответствовал величине сигнала которым облучался край экрана. Такая конструкция экспериментальной установки позволяло исключить прямое попадание мешающих сигналов в микрофон. Уровень принятого сигнала микрофоном контролировался с помощью осциллографа.

Выходной сигнал генератора имел амплитуду 0,3В.

Показания с осциллографа снимались через каждые 10 градусов поворота динамика относительно нормали к экрану.

Результаты измерений приведены в таблице № 4.1.1, а схема экспериментальной установки на рисунке 4.1.

Для покупки или заказа полной версии работы перейдите по ссылке.

Рисунок 4.1 – Измерение диаграммы направленности динамика

Таблица 4.1.1 – Экспериментальные данные оценки направленных свойств акустического динамика

На рисунке 4.2 приведены график зависимости амплитуды сигнала на выходе микрофона от угла поворота динамика относительно нормали к экрану в диапазоне от 0 до 90°.

Полученные результаты показывают ширина ДН динамика равна по уровню 0,7 соответствует примерно ± 50°. Такой динамик при установке в центр сферической зеркальной антенны будет облучать зеркало антенны не равномерно. При этом в апертуре антенны сформируется АФР близкое к «спадающему к краям». Как показано в предыдущем разделе такое АФР обеспечит ширину диаграммы направленности порядка 11°, что является необходимым для построения содара [6].

Вывод: рассмотренный динамик может быть использован в качестве передающего облучателя в адаптивном излучателе зондирующего сигнала.

Для покупки или заказа полной версии работы перейдите по ссылке.

Рисунок 4.2 – Диаграмма направленности динамика

4.2 Исследование амплитудно частотной характеристики приемо-передающей системы содара

Задача состояла в определении амплитудных и фазовых искажений при передаче сигнала из передающего излучателя (динамика) в приемный излучатель (микрофон) в диапазоне частот от 2 до 10 кГц. место проведения эксперимента огораживалось поглотительным материалом для снижения уровня принимаемых помеховых сигналов.

В проведении эксперимента задействованы следующие устройства:

передатчик – акустический динамик;

генератор гармонических колебаний;

приёмник – акустический микрофон;

осциллограф;

акустический поглотитель.

Структура экспериментальной установки показана на рисунке 4.3.

Для покупки или заказа полной версии работы перейдите по ссылке.

Рисунок 4.3 – Структура экспериментальной установки для оценки АЧХ приемо-передающей системы содара

Выходной сигнал генератора гармонических колебаний поступал на вход динамика, который устанавливался на расстоянии 100 см от микрофона. Принятый сигнал микрофоном поступал на двухлучевой осциллограф, где по амплитуде и фазе принятого сигнала (относительно сигнала генератора) определялись частотные свойства приемо-передающей системы содара. Измерение амплитуды и фазы проводилось на частотах генератора от 2 до 10 кГц. На выходе генератора формировался сигнал напряжением 300мВ.

Полученные экспериментальные данные приведены в табл. 4.2.1, 4.2.2 и на графиках рис. 4.4 и 4.5.

Таблица 4.2.1 – АЧХ динамика

Таблица 4.2.2 – ФЧХ динамика

Для покупки или заказа полной версии работы перейдите по ссылке.

Рисунок 4.4 – Результаты оценки АЧХ приемо-передающей системы

Для покупки или заказа полной версии работы перейдите по ссылке.

Рисунок 4.5 – Зависимость изменения амплитуды выходного сигнала генератора от частоты формируемого сигнала

Вывод: АЧХ имеет два максимума на частотах 3 и 7 кГц, при которых наблюдается наибольшее значение уровня принятого сигнала, это является следствии равенства длины волны формируемого сигнала к величине кратной половине длины волны.

4.3 Оценка уровня сигнала проходящего через защитный экран

Задача состояла в определении уровня сигнала прошедшего через защитный экран без поглотителя и с поглотителем в диапазоне частот от 2 до 10 кГц. Место проведения эксперимента огораживалось поглотительным материалом для снижения уровня принимаемых помеховых сигналов.

В проведении эксперимента задействованы следующие устройства:

передатчик – акустический динамик;

генератор гармонических колебаний;

приёмник – акустический микрофон;

осциллограф;

экран;

акустический поглотитель.

Структура экспериментальной установки показана на рис. 4.6 и 4.7. На выходе генератора формировался сигнал напряжением 300мВ. Расстояние между динамиком и микрофоном составляло 60см.

При получении экспериментальных данных между динамиком и микрофоном устанавливался экран (четырёх слойная фанера). Во второй части эксперимента к экрану добавлялся поглотитель.

Таблица 4.3.1 – Измеренные значения уровня сигналов прошедших через экран без поглотителя

Таблица 4.3.2 – Измеренные значения уровня сигналов прошедших через экран с поглотителем

Для покупки или заказа полной версии работы перейдите по ссылке.

Рисунок 4.6 – Оценка уровня сигнала проходящего через защитный экран

Для покупки или заказа полной версии работы перейдите по ссылке.

Рисунок 4.7 – Оценка уровня сигнала проходящего через защитный экран с акустическим поглотителем .

Обобщенная информация о зависимости изменения уровней сигналов проходящих через защитный экран без поглотителя и с поглотителем приведена на рис. 4.8, там же показана АЧХ приемопередающей системы содара (передача сигнала без экрана). На рис.4.9-4.10 приведены фотографии лабораторных установок для исследования величины сигнала проходящего через защитный экран.

Вывод: Введение в конструкцию содара защитных экранов покрытых звуко поглощающими материалами с двух сторон позволит существенно снизить уровень принимаемых помехових сигналов, что обеспечит стабильную работу содара.

Для покупки или заказа полной версии работы перейдите по ссылке.

Рисунок 4.8 – Сравнительная характеристика уровней сигналов проходящих через защитный экран без поглотителя и с поглотителем

Для покупки или заказа полной версии работы перейдите по ссылке.

Рисунок 4.9– Схема установки для измерения уровней сигналов проходящих через защитный экран без поглотителя

Для покупки или заказа полной версии работы перейдите по ссылке.

Рисунок 4.10 – Схема установки для измерения уровней сигналов проходящих через защитный экран с поглотителем

4.4 Оценка уровня сигнала отраженного от защитного экрана

Задача состояла в определении уровня сигнала отраженного от защитного экрана без поглотителя и с поглотителем в диапазоне частот от 2 до 10 кГц. Место проведения эксперимента огораживалось поглотительным материалом для снижения уровня принимаемых помеховых сигналов.

В проведении эксперимента задействованы следующие устройства:

передатчик – акустический динамик;

генератор гармонических колебаний;

приёмник – акустический микрофон;

осциллограф;

экран;

акустический поглотитель.

Структура экспериментальной установки показана на рис. 4.11 и 4.12. На выходе генератора формировался сигнал напряжением 300мВ. Расстояние между динамиком и микрофоном составляло 30см относительно экрана.

При получении экспериментальных данных экран (четырёхслойная фанера) устанавливался таким образом, чтобы падающий под определенным углом на него сигнал динамика отражался под таким же углом в микрофон. Во второй части эксперимента экран покрывался поглотителем с двух сторон.

Таблица 4.4.1 Измеренные значения уровня сигналов отраженного от экрана без поглотителя

Таблица 4.4.2 Измеренные значения уровня сигналов отраженного от экрана с поглотителем

Для покупки или заказа полной версии работы перейдите по ссылке.

Рисунок 4.11 – Схема установки для измерения уровней сигналов отраженных от защитного экрана без поглотителя

Для покупки или заказа полной версии работы перейдите по ссылке.

Рисунок 4.12 – Схема установки для измерения уровней сигналов отраженных от защитного экрана с поглотителем

Обобщенная информация о зависимости изменения уровней сигналов отраженных от защитного экрана без поглотителя и с поглотителем приведена на рис. 4.13. На рис.4.14 приведены фотографии лабораторных установок для исследования величины сигнала отраженного от защитного экрана.

Вывод: Введение в конструкцию особенностей обеспечивающих максимальные величины углов отражения обеспечит стабильную работу содара с высоким отношением сигнал/шум.

Для покупки или заказа полной версии работы перейдите по ссылке.

Рисунок 4.13 – Результаты измерения уровней сигналов отраженных от защитного экрана с поглотителем(нижняя кривая) и без поглотителя (верхняя кривая) на различных частотах

Для покупки или заказа полной версии работы перейдите по ссылке.

Рисунок 4.14 – Схема установки для измерения уровней сигналов отраженных защитным экраном без поглотителя

4.5 Измерение амплитуды поля в ближней зоне антенны

Задача состояла в определении амплитуды поля над раскрывом антенны в ближней зоне на четырех уровнях на частоте 5 кГц. На каждом уровне измерения проводились в 9 точках. Первый уровень находился на высоте трех сантиметров над антенной, второй – на высоте 30 см., третий – на высоте 60 см, четвертый – на высоте 90 см. Место проведения эксперимента находилось на крыше учебного корпуса, что обеспечивало не высокий уровень переотраженных и мешающих сигналов.

В проведении эксперимента задействованы следующие устройства:

передатчик – акустический динамик;

генератор гармонических колебаний;

приёмник – акустический микрофон;

осциллограф.

Структура экспериментальной установки показана на рис. 4.15. На выходе генератора формируется сигнал напряжением 1 В. К генератору подключается динамик, который находится в центре сферической антенны

На рисунке 4.15 приведена структура экспериментальной установки. В табл.4.5.1- 4.5.4 показаны результаты измерений значения амплитуды поля в ближней зоне антенны на уровнях 1-4, соответственно.

На рис. 4.16 приведены графики полученные по экспериментальным данным. На рис.4.17 показаны результаты расчета диаграммы направленности адаптивного излучателя зондирующего сигнала по данным амплитудного распределения уровня 1. Сплошная кривая соответствует экспериментальным данным, а штрихпунктирная – полученным в результате расчетов в разделе 3. Результаты, показанные на рисунке подтверждают теоретические расчеты экспериментальными данными, что в свою очередь говорит о высокой организации эксперимента и высокой достоверности полученных результатов.

На рис.4.18 приведена фотография лабораторной установки во время проведения измерений.

Для покупки или заказа полной версии работы перейдите по ссылке.

Рисунок 4.15 – Структура экспериментальной установки для измерение амплитуды поля в ближней зоне антенны

Таблица 4.5.1 – Измеренные значения амплитуды поля в ближней зоне антенны на уровне 1

Таблица 4.5.2 – Измеренные значения амплитуды поля в ближней зоне антенны на уровне 2

Таблица 4.5.3 – Измеренные значения амплитуды поля в ближней зоне антенны на уровне 3

Таблица 4.5.4 – Измеренные значения амплитуды поля в ближней зоне антенны на уровне 4

Для покупки или заказа полной версии работы перейдите по ссылке.

Рисунок 4.16 – Зависимость амплитуды поля в ближней зоне антенны на уровнях 1-4

Для покупки или заказа полной версии работы перейдите по ссылке.

Рисунок 4.17 – Результаты расчета диаграммы направленности адаптивного излучателя зондирующего сигнала по данным амплитудного распределения уровня 1

Для покупки или заказа полной версии работы перейдите по ссылке.

Рисунок 4.18 – Фотография лабораторной установки во время проведения измерений

4.6 Измерение амплитуды поля в ближней зоне антенны и на разных уровнях высоты

Целью данного исследования являлось определить фазу сигнала в раскрыве антенны.

Принципом исследования заключался в том, что были взяты 11 точек в раскрыве антенны на разных уровнях (высоте) и в каждой из них было измерена фазовое распределение приемника.

Для осуществления данного эксперимента использовался генератор частоты работающий на постоянной частоте в 5 КГц , выходным напряжением генератора 1В. К генератору подключался динамик, который находится в сферической антенне излученный сигнал динамика попадает в приемное устройство находящиеся на разных уровнях (высоте) после чего мы получаем разное сдвиг фазы в разных точках

Ниже приведены схемы и фотографии установки для измерения амплитуды сигнала в раскрыве антенны и на других уровнях

Таблица 4.6.1 – Измерение фазы сигнала в раскрыве антенны на разных уровнях

4.7 Измерение параметров главного лепестка диаграммы направленности в дальней зоне антенны

Цель эксперимента была измерять диаграмму направленности антенны в дальней зоне на расстоянии 140 см.

На расстоянии в 140 см был расположен приемник и на частоте в 5 КГц подавался звуковой сигнал. Приемник принимал сигналы в разных 23 точках. Ниже приведена схема установки и полученные результаты

Рисунок 4.19 – Измерение фазового сдвига в раскрыве антенны и на разных уровнях

Таблица 4.7.1 – Диаграмма направленности антенны

Рисунок 4.20 – Измерение диаграммы направленности в дальней зоне

Рисунок 4.21 – Распределение амплитуды поля на высоте 1,4 м над апертурой антенны

Результаты приведенные на рис. 4.21 показывают, что средняя ширина диаграммы направленности составляет примерно 11,8 градусов. Эта величина с высокой степенью точности совпадает с результатами моделирования раздела 3 и подпункта 4.5.

ВЫВОДЫ

Рассмотренный динамик может быть использован в качестве передающего облучателя в адаптивном излучателе зондирующего сигнала.

Полученная АЧХ имеет два максимума на частотах 3 и 7 кГц, при которых наблюдается наибольшее значение уровня принятого сигнала, это является следствии равенства длины волны формируемого сигнала к величине кратной половине длины волны.

Введение в конструкцию содара защитных экранов покрытых звуко поглощающими материалами с двух сторон позволит существенно снизить уровень принимаемых помеховых сигналов, что обеспечит стабильную работу содара.

Введение в конструкцию особенностей обеспечивающих максимальные величины углов отражения обеспечит стабильную работу содара с высоким отношением сигнал/шум.

Результаты расчета диаграммы направленности адаптивного излучателя зондирующего сигнала показанные на рис.4.17 получены по данным амплитудного распределения уровня 1. Сплошная кривая соответствует экспериментальным данным, а штрихпунктирная – полученным в результате расчетов в разделе 3. Результаты показанные на рисунке подтверждают теоретические расчеты экспериментальными данными, что в свою очередь говорит о высокой организации эксперимента и высокой достоверности полученных результатов

Измеренные параметров главного лепестка диаграммы направленности в дальней зоне антенны адаптивного излучателя зондирующих сигналов позволяют оценить ширину лепестка, которая составляет 11,8 градусов. Эти данные хорошо соответствуют расчетам раздела 3 и результатам полунатурного эксперимента подпункта 4.5.

ВИВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ

В работе проведена оценка характеристик направленности антенной системы и защитных свойств элементов конструкции адаптивного излучателя зондирующего сигнала содара.

Содары являются перспективными устройствами для обеспечения потребителей оперативной информацией о состоянии нижних слоев атмосферы. Являясь акустическими системами содары, используются для дистанционного измерения структуры вертикальной турбулентности и профиля ветра в нижних слоях атмосферы

Требуемая ширина главного лепестка содара оценивается величиной не более 5…10°. У известных содаров ширина ДН составляет 20…30°, а диапазон дальностей действия при зондировании АПС на рабочих частотах содаров 1…5 кГц составляет 30...10⁴ длин волн.

В антенной системе при построении однолучевого содара целесообразно использовать зеркальную антенну сферической формы.

Для расчета поля создаваемого зеркальной антенной в любой точке пространства, определяемого суперпозицией её элементарных излучателей, целесообразно использовать множитель системы. Множитель системы описывается интерференционную картину элементарных излучателей (излучателе Гюгенса) составляющих антенну.

Множитель системы и АФР связаны между собою преобразованием Фурье. То есть множитель системы представляет собою угловой спектр амплитудно-фазового распределения. Поэтому при исследовании влияния АФР на характер множителя системы весьма полезно использовать известные из теории преобразования Фурье общие положения о связи характера функции и ее спектра.

К основным закономерностям формирования сигнала в системах волнового зондирования относятся следующие: формирование поля зондирующих волн, временная зависимость, и возможность посылок сигнала, параметры которого согласуются в соответствии с ожидаемыми свойствами объекта. Эти черты наиболее общие для всех волновых дистанционных методов, основанных на использовании волн любой природы.

Для расчета направленных свойств антенны адаптивного излучателя зондирующего сигнала разработан алгоритм, который предполагает ввод данных, формирование вектора АФР, выполнение операции преобразования Фурье, перекомпоновку данных, нормировку результата к максимальному значению, оценку ширины диаграммы направленности, вывод полученных результатов и графиков.

В условиях задания на квалификационную работу получена диаграмма направленности разрабатываемого содара, содержащего сферическую антенну диаметром 60 см, с акустическим динамиком, установленным в её центре. При этом в раскрыве антенны можно принять амплитудное распределение поля как спадающее к краям (по функции cos). Длина волн излучателя составляет 6 см.

С использованием разработанного алгоритма получена зависимость ширины диаграммы направленности от длины волны излучаемого сигнала. При этом наглядно подтверждается факт увеличения ширины диаграммы направленности с увеличением длины волны зондирующего сигнала.

Полученные результаты позволяют оценить возможности по адаптации излучателя зондирующего сигнала на базе рассматриваемой антенны к условиям внешней среды. Под условиями внешней среды которыми, понимается наличие внешних шумов на соответствующих частотах, различную величину гидрометеоров и геометрические размеры метеообразований (изменение частоты зондирующего сигнала или ширины диаграммы направленности)

Выбранный динамик целесообразно использовать в качестве передающего облучателя в адаптивном излучателе зондирующего сигнала. При этом динамик обеспечит формирование АФР в раскрыве антенны спадающее к краям, что приведет к формированию диаграммы направленности требуемой ширины.

АЧХ приемо-передающей системы имеет два максимума на частотах 3 и 7 кГц, обусловленных резонансными частотами выбранного динамика. При этом АЧХ динамика достаточно широка для обеспечения задач адаптации излучателя зондирующего сигнала путем изменения длины волны излучаемого сигнала.

Введение в конструкцию содара защитных экранов покрытых звуко поглощающими материалами с двух сторон позволит существенно повысить отношение сигнал/шум путем снижения уровня принимаемых помехових колебаний.

ЛИТЕРАТУРА

1. Шифрин. Я. С. Антенны. – Харьков. ВИРТА. 1976. 408с

2. Алмазов В. Б. Основы теории радиолокации. – Харьков. ВИРТА. 1992. 204с

3. Ширман Я. Д. Справочник. Радиоэлектронные системы. – Москва Радиотехника. 2007. 512с.

4. Воскресенский Д. И. Канащенков А. И. Активные фазированные антенные решетки. – Москва. Радиотехника. 2004. 488с

5. Все об антеннах: Справочник. Сост. В.И.Назаров. В.И. Рыженко.–М. Оникс. 2008. 240 с.

6. Панченко А.Ю., Марюх В.А. Влияние волновых свойств направленных звуковых пучков содаров при формировании поля отраженных волн в АПС. тез. докл. науч.-практ. конф. Системи управління, навігації та зв'язку випуск 4(12), 2009 – Харьков: Харьковский национальный университет радиоэлектроники, 2009.

7. Жила С.С., Джус Д.В. Квазівласностуктурові методи цифрового спектрального аналізу на основі адаптивних решітчастих фільтрів. Новітні технології – для захисту повітряного простору. Тези доповідей.14-15 квітня 2010 року. – Харьков: Харьковскийуніверситет Повітряних Сил, 2010.

8. Zhyla S.S., Djus D.V. Mathematical model for an estimation of resolution and accuracy of known and new methods of the digital spectral analysis/ Новітні технології – для захисту повітряного простору. Тези доповідей.14-15 квітня 2010 року. – Харьков: Харьковскийуніверситет Повітряних Сил, 2010.