Исследование взаимной корреляции временных и частотных характеристик акустооптической линии задержки

The paper discusses the potentialities of an acousto-optic delay line (AODL) in the context of processing broadband analog signals in the time domain. Describes the AOD scheme and the principle of operation. A general theory of the response formation at the device output with an amplitude-modulated input signal has been developed. An expression for the signal at the output of the photo detector is obtained to determine the transient, pulse, and amplitude-frequency characteristics of the AODL. The equations for the transient, impulse, and amplitude-frequency characteristics are numerically simulated for a specific AODL sample. The appropriate graphs and specific values of individual parameters, such as rise time, duration of acousto-optic interaction, and cutoff frequency show the calculation results.To verify the results of theoretical studies, a number of experiments were carried out on the AODL model, which was implemented on an acousto-optic modulator made on a glassy photo-elastic material of the TF-7 type. The center frequency of the acousto-optic modulator is 80 MHz. A semiconductor laser with a wavelength of 0.63 μm was used as a light source. The results of experimental studies are discussed in the context of the results of theoretical studies. It is shown that with a rectangular input action, using the response parameters at the AODL output, it is possible to calculate its cutoff frequency and, accordingly, the bandwidth.A static and dynamic analysis of the cross-correlation of the transient, impulse and amplitude-frequency characteristics of the AODL has been carried out. The static analysis was based on the results of numerical modeling and experimental research. It was found that in the operating frequency range, the cross-correlation of the transient, impulse and amplitude-frequency characteristics of the AODL is performed with the accuracy of calculations in the Mathcad environment. For a dynamic analysis of the cross-correlation of the transient and impulse characteristics, a unit jump was applied to the AODL input. The appropriate output response is calculated using the transient and impulse response equations. The studies show their complete mutual correlation.Потенциальные возможности акустооптической линии задержки (АОЛЗ) обсуждены в контексте обработки широкополосных аналоговых сигналов во временной области. Приведено описание схемы и принципа работы АОЛЗ. Разработана общая теория формирования отклика на выходе устройства при амплитудно-модулированном входном сигнале. Для сигнала на выходе фотоприемного устройства получено выражение, которое затем использовано для определения переходной, импульсной и амплитудно-частотной характеристик АОЛЗ. Уравнения для переходной, импульсной и амплитудно-частотной характеристик численно моделированы для конкретного образца АОЛЗ. Результаты вычислений представлены соответствующими графиками и конкретными значениями отдельных параметров, таких как: время нарастания, длительность акустооптического взаимодействия и частота среза.Для верификации результатов теоретических исследований проведены ряд экспериментальных работ на макете АОЛЗ, которая реализована на акустооптическом модуляторе, выполненном на стеклообразном фотоупругом материале типа ТФ-7.  Центральная частота акустооптического модулятора равна 80 МГц. В качестве источника света использован полупроводниковый лазер с длиной волны 0,63 мкм. Результаты экспериментальных исследований обсуждены в контексте результатов теоретических исследований. Показано, что при прямоугольном входном воздействии по параметрам отклика на выходе АОЛЗ можно вычислить ее частоту среза, и соответственно полосу пропускания.Проведен статический и динамический анализ взаимной корреляции переходной, импульсной и амплитудно-частотной характеристик АОЛЗ. Статический анализ осуществлен на основе результатов численного моделирования и экспериментальных исследований. Установлено, что в рабочем диапазоне частот взаимная корреляция переходной, импульсной и амплитудно-частотной характеристик АОЛЗ выполняется с точностью расчетов в среде Mathcad. Для динамического анализа взаимной корреляции переходной и импульсной характеристик на вход АОЛЗ подан единичный скачок. Соответствующий выходной отклик вычислен с помощью уравнений для переходной и импульсной характеристик. Показана их полная взаимная корреляция между собой

Методы математического моделирования в проектировании бортовых лазерных локационных систем космических аппаратов

To perform rendezvous and docking of spacecraft (SC), it is necessary to detect and measure the coordinates of a passive space vehicle (SV) using the onboard aids of an active SV. For this purpose, in addition to radio engineering systems, laser-ranging systems (LRS) are used. A designing process of the onboard LRS for promising spacecraft is currently becoming more complicated and requires taking into account a lot of factors.The authors have developed the PC software to assess capabilities of onboard pulse LRS of spacecraft when working on the nearby or distant space objects that have a diffusely scattering surface, as well as are equipped with the corner reflectors. The software also allows us to calculate the LRS parameters, which, according to GOST R 50723-94, ensure eye-safety in the spectral range of 0.81 ... 1.5 microns in case of accidental irradiation.The energy of the intensifier pulse and the divergence of a sensing beam determine the LRS range and the distance of eye-safe observation, which are the most important indicators to characterize the onboard LRS capabilities. To ensure the best LRS range and safety characteristics simultaneously, it is necessary to solve the problem of multi-criteria optimization.The paper solves the problem of multi-criteria optimization for the maximum LRS range and the eye-safe observation distance by Pareto sets the use of which allows us to avoid uncertainty in choosing a significance of criteria.The results obtained show that the proposed methods can be successfully applied in designing onboard LRS of spacecraft.Для выполнения операций сближения и стыковки космических аппаратов (КА) необходимо обнаружение и измерение координат пассивного КА с помощью бортовых средств активного КА. Для этой цели кроме радиотехнических систем используются лазерные локационные системы (ЛЛС). Процесс проектирования бортовых ЛЛС для перспективных КА в настоящее время усложняется и требует учета многих факторов.Авторами была разработана программа для персональных ЭВМ, предназначенная для оценки возможностей бортовых ЛЛС КА, работающих в импульсном режиме, при работе по близкорасположенным или удаленным космическим объектам, имеющим диффузно рассеивающую поверхность, а также снабженными уголковыми отражателями. Программа также позволяет рассчитать параметры ЛЛС, обеспечивающие безопасность для органов зрения при случайном облучении в спектральном диапазоне 0,81…1,5 мкм согласно требованиям, устанавливаемым ГОСТ Р 50723-94.Энергия импульса подсветки и расходимость зондирующего пучка определяют дальность ЛЛС и дистанцию безопасного наблюдения, которые являются важнейшими показателями, характеризующими возможности бортовых ЛЛС. Для одновременного обеспечения наилучших характеристик по дальности и безопасности ЛЛС, необходимо решить задачу многокритериальной оптимизации.В работе решена задача многокритериальной оптимизации для максимальной дальности ЛЛС и дистанции безопасного наблюдения с использованием множеств Парето, применение которых позволяет избежать неопределенности при выборе значимости критериев.Полученные результаты показывают, что предложенные методы могут успешно применяться при разработке бортовых ЛЛС КА

Применение гравитационно-оптического резонанса для регистрации высокочастотных гравитационных волн

The gravitational waves predicted by the general theory of relativity and detected by the Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) have typical frequencies in the range of 30 ... 300 Hz. Current theories of gravity predict the existence of high-frequency gravitational waves with frequencies of 10 ... 100 MHz, including those of cosmological origin, induced by quantum fluctuations of the scalar field at the stage of cosmological inflation in the early Universe.Multi-beam optical resonators, in particular the Fabry-Perot interferometers, can be used to detect high-frequency gravitational waves. When using multi-beam optical resonators, it is possible to use the phenomenon of low-frequency optical resonance, which allows us to have a selective response to the gravitational wave effect. The gravitational-optical resonance in a multi-beam interferometer occurs if the condition is fulfilled that an integer number of half-waves of gravitational radiation is along the length of the resonator.The use of a multi-beam interferometer to detect high-frequency gravitational waves does not require the creation of a complex system for decoupling mirrors used for gravitational antennas operating in the low-frequency part of the spectrum. This is due to the fact that the frequency of mechanical vibrations of the interferometer mirrors is significantly less than the frequency of the gravitational wave.The paper considers possible optical schemes of a high-frequency gravitational antenna: based on the traditional Michelson interferometer, in the arms of which two Fabry-Perot interferometers are available, and on the basis of the Mach-Zehnder optical scheme, where Fabry-Perot interferometers can be made in the form of two perpendicular arms, with reflecting mirrors at the bend of the beam. The advantage of the second scheme is that three photo-detectors, one being main and two others being auxiliary, can be used, and there is a possibility to detect radiation transmitted by Fabry-Perot interferometers.To prove that detection of high-frequency gravitational waves is possible, a potential sensitivity of the high-frequency gravitational antenna has been estimated in the paper.Гравитационные волны, предсказанные теорией относительности и зарегистрированные лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерваторией (LIGO), имеют характерные частоты в районе 30…300 Гц. Современные теории гравитации предсказывают существование высокочастотных гравитационных волн с частотами 10…100 МГц, в том числе космологического происхождения, индуцированных квантовыми флуктуациями скалярного поля на стадии космологической инфляции в ранней Вселенной.Для регистрации высокочастотных гравитационных волн могут применяться многолучевые оптические резонаторы, в частности интерферометры Фабри-Перо. При применении многолучевых оптических резонаторов возможно использование явления низкочастотного оптического резонанса, которое позволяет получить селективный отклик на гравиволновое воздействие. Гравитационно-оптический резонанс в многолучевом интерферометре возникает, если выполняется условие, что на длине резонатора укладывается целое число полуволн гравитационного излучения.Использование многолучевого интерферометра для регистрации высокочастотных гравитационных волн не требует создания сложной системы развязки зеркал, применяющейся для гравитационных антенн, работающих в низкочастотной части спектра. Это связано с тем, что частота механических колебаний зеркал интерферометра оказывается существенно меньше частоты гравитационной волны.В работе рассмотрены возможные оптические схемы высокочастотной гравитационной антенны: на основе традиционного интерферометра Майкельсона, в плечи которого помещены два интерферометра Фабри-Перо, и на основе оптической схемы Маха-Цендера, где интерферометры Фабри-Перо могут быть выполнены в виде двух перпендикулярных плечей, с отражательными зеркалами в месте излома луча. Преимуществом второй схемы является возможность использования трех фотоприемников, одного основного и двух вспомогательных, и регистрация излучения, прошедшего интерферометры Фабри-Перо.Для подтверждения возможности регистрации высокочастотных гравитационных волн в работе проведена оценка потенциальной чувствительности предлагаемой высокочастотной гравитационной антенны

Акустооптический формирователь светового импульса для измерения параметров фотоприемников

The paper emphasizes that intensive utilization of the optical range increases the need for the development of new optoelectronic devices. Accordingly, there is a growth in the need for effective methods and tools to study photoelectric properties of semiconductor materials, including photo-detectors.In the paper we have analyzed the well-known methods and tools for measuring the photo-detector parameters, defined the restrictions in their applications, and proved that it is relevant to create a measuring system, the parameters of which are easily adapted to the study of photoelectric characteristics of a wide range of semiconductor materials, including photo-detectors.The scheme and principle of operation of the acousto-optic processor and the features of the photo-elastic effect are discussed, and it is proved that they can be used to form a light pulse of required duration and power. The expressions obtained for calculating the response at the acousto-optic processor output enable us to estimate separately the effects of time of crossing the optical beam by the elastic wave packet and the photo-detector inertia.The capability to determine the time of crossing the optical beam by the elastic wave packet and taking it into account as a device error has been substantiated. The proposed formulas have been tested and by numerical analysis based on the datasheet specifications of the FD-24K photodiode, the effectiveness of the obtained expressions has been convincingly proven.The inertia parameters of a particular sample of the FD-24K photodiode are experimentally studied. The emphasis is upon measuring the rise time of the transient response of the object under study. The exact rise time value of the transient response of the experimental FD-24K sample was approximately 7 μs, which is less than that indicated (≤10 μs) in the product certificate. In real life, such a measurement is necessary when selecting the photodiode pairs with identical parameters.By comparing the results of numerical analysis and experimental studies, it has been convincingly proven that the features of the photo-elastic effect can be used to construct a light pulse shaper with the required parameters.Отмечено, что интенсивное освоение оптического диапазона усиливает необходимость разработки новых оптоэлектронных приборов. Соответственно возрастает потребность в эффективных методах и средствах исследования фотоэлектрических свойств полупроводниковых материалов, в том числе фотоприемников.Проанализированы известные методы и средства измерения параметров фотоприемников, указаны ограничения в их применениях и доказана актуальность создания измерительной системы, параметры которого легко адаптируются к исследованию фотоэлектрических характеристик широкого спектра полупроводниковых материалов, в том числе фотоприемников.Рассмотрена схема и принцип функционирования акустооптического процессора, обсуждены особенности фотоупругого эффекта и доказана возможность их использования для формирования светового импульса с нужной длительностью и мощностью. Получены выражения для вычисления отклика на выходе акустооптического процессора, позволяющие в отдельности оценивать влияния времени пересечения оптического пучка упругим волновым пакетом и инерционности фотоприемника. Обоснована возможность определения времени пересечения оптического пучка упругим волновым пакетом и учета его как приборную погрешность. Предложенные формулы апробированы и путем численного анализа на основе паспортных данных фотодиода ФД-24К убедительно доказано действенность полученных выражений.Экспериментально исследованы параметры инерционности конкретного образца фотодиода ФД-24К. Основное внимание уделено на измерение времени нарастания переходной характеристики объекта исследования. Точное значение времени нарастания переходной характеристики экспериментального образца ФД-24К составило, примерно, 7 мкс, что меньше указанного (≤10 мкс) в паспорте изделия. На практике такое измерение необходимо при подборе фотодиодных пар с идентичными параметрами.Путем сопоставления результатов численного анализа и экспериментальных исследований убедительно доказано, что особенности фотоупругого эффекта могут быть использованы для построения формирователя световых импульсов с необходимыми параметрами

Исследование матрицы рассеяния однокаскадной шахматной схемы возбуждения многоэлементного излучателя

The paper deals with studying the scattering matrix of a complex multi-pole, which is a chessboard excitation scheme of a multi-element radiator. The scattering matrix of the device is composed of scattering matrices of non-ideal directional couplers and takes into account the coupling between the cross outputs of the excitation scheme. The study shows that using the scattering matrices of non-ideal directional couplers when calculating the device scattering matrix enables us to obtain the coefficients of mutual coupling between the outputs of the excitation scheme and to increase the calculation accuracy of the amplitude-phase distribution in the aperture of a multi-element radiator. The task to find the scattering matrix of a complex multi-pole constructed from non-ideal directional couplers according to a single-stage chess scheme has been solved. The scattering matrix of the excitation scheme has been studied. It includes non-ideal directional couplers with non-zero elements of the scattering matrices, which represent reflection coefficients at the inputs of the directional couplers and the isolation of their outputs. The expressions obtained for the elements of the scattering matrix of the excitation scheme are used to calculate the amplitude-phase distribution of the electromagnetic field in the aperture of the radiator containing six radiating elements. The expressions obtained allow us to calculate the amplitude-phase distribution of the electromagnetic field at the outputs of the excitation scheme, taking into account the real electrical characteristics of the directional couplers. The formulas proposed can be used when studying the multi-element radiators in order to obtain the radiation patterns of a special shape, for example, sector and flat-topped ones. The excitation scheme with the waveguide-slot directional couplers for the Ka-band multi-element radiator has been simulated. Comparison of the scattering matrix elements obtained through calculation by the proposed formulas and electrodynamics modeling in a program using the finite element method has been presented.Comparison of radiation patterns constructed using the calculated amplitude-phase distribution of the electromagnetic field in the radiator aperture for excitation systems with ideal and non-ideal directional couplers shows their difference in the level of side lobes and in the width of the main lobe. There is a much better coincidence of the radiation patterns obtained in terms of the formulas proposed for real directional couplers with the results of verification electrodynamics modeling as compared to the radiation patterns calculated for a device with ideal directional couplers. Thus, taking into consideration the real electrical characteristics of the directional couplers in the excitation scheme allows us to obtain more accurate directional patterns of the multi-element radiator.Проведено исследование матрицы рассеяния сложного многополюсника, представляющего собой шахматную схему возбуждения многоэлементного излучателя. Матрица рассеяния устройства составлена из матриц рассеяния неидеальных направленных ответвителей и учитывает связи между перекрестными выходами схемы возбуждения. Показано, что использование матриц рассеяния неидеальных направленных ответвителей в расчете матрицы рассеяния устройства позволяет получить коэффициенты взаимной связи между выходами схемы возбуждения и повысить точность расчета амплитудно-фазового распределения в раскрыве многоэлементного излучателя.Решена задача нахождения матрицы рассеяния сложного многополюсника, построенного из неидеальных направленных ответвителей по однокаскадной шахматной схеме. Проведено исследование матрицы рассеяния схемы возбуждения, в которую входят неидеальные направленные ответвители с ненулевыми элементами матриц рассеяния, представляющими коэффициенты отражения на входах направленных ответвителей и изоляцию их выходов. Полученные выражения для элементов матрицы рассеяния схемы возбуждения использованы для расчета амплитудно-фазового распределения электромагнитного поля в раскрыве излучателя, содержащего шесть излучающих элементов. Использование полученных выражений позволяет проводить расчет амплитудно-фазового распределения электромагнитного поля на выходах схемы возбуждения с учетом реальных электрических характеристик направленных ответвителей. Предложенные формулы могут применяться при исследованиях многоэлементных излучателей, проводимых в целях получения диаграмм направленности специальной формы, например, секторных и столообразных.Выполнено моделирование схемы возбуждения с волноводно-щелевыми направленными ответвителями для многоэлементного излучателя Ка-диапазона частот. Представлено сравнение элементов матрицы рассеяния устройства, полученных путем расчета по предложенным формулам и электродинамическим моделированием в программе, использующей метод конечных элементов.Сравнение диаграмм направленности многоэлементного излучателя, построенных с использованием рассчитанного амплитудно-фазового распределения электромагнитного поля в раскрыве излучателя для систем возбуждения с идеальными и неидеальными направленными ответвителями, показывает их различие в уровне боковых лепестков и в ширине главного лепестка. Наблюдается значительно лучшее совпадение диаграмм направленности, полученных с учетом предложенных формул для реальных направленных ответвителей, с результатами проверочного электродинамического моделирования по сравнению с диаграммами направленности, рассчитанными для устройства с идеальными направленными ответвителями. Таким образом, учет реальных электрических характеристик направленных ответвителей в схеме возбуждения позволяет получить более точные диаграммы направленности многоэлементного излучателя

Исследование возможностей согласования раскрыва многоэлементного приемо-передающего облучателя

Currently, aperture antennas with spatial excitation, such as reflector antennas and phased array antennas, are widely used in radar. The composition of such an antenna includes an irradiator, which can be made in the form of a small-element array of radiators to form a set of necessary radiation patterns. Monopulse irradiators are often used, which form both total and difference directional patterns. When performing an irradiator based on waveguide parts, radiators in the form of horns or open ends of waveguides are installed in its aperture. Waveguide irradiators with four and twelve horns are widely used. One of the main electrical characteristics of such an irradiator when used as part of a receiving-transmitting antenna is the isolation of the transmitting and receiving paths. Matching the aperture of the transmitting and receiving irradiator has a significant effect on the isolation of its waveguide channels. With small transverse dimensions of the radiators in the form of open ends of waveguides, it is not possible to obtain high isolation of waveguide channels without the use of additional matching elements. The task of research the effect of matching the aperture of a waveguide multi-element irradiator on the isolation of its transmitting and receiving channels, as well as the ways of matching its radiators, is set.The article considers a four-horn irradiator, the aperture of which contains radiators in the form of open ends of a square waveguide. Each radiator has the radius rounding required for the manufacture of the product using the available technological processes. To match the emitter, a dielectric plate is installed inside it. During the research the thickness of the plate and its location relative to the aperture plane changed. The characteristics of matching the radiators with a plate made of teflon, polyethylene and ST-4 material based on polymers filled with titanium dioxide are presented.The proposed method of matching the opening of a multi-element irradiator with a transverse emitter size of 0,68λ (λ is the wavelength in free space corresponding to the average frequency of the operating band) makes it possible to improve the isolation of the receiving and transmitting waveguide channels by at least 4 dB in the frequency band of up to 3%.В настоящее время широкое применение в радиолокации находят апертурные антенны с пространственным возбуждением, такие как зеркальные антенны и фазированные антенные решетки. В состав такой антенны входит облучатель, который может выполняться в виде малоэлементной решетки излучателей для формирования набора необходимых диаграмм направленности. Часто используются моноимпульсные облучатели, формирующие как суммарную, так и разностные диаграммы направленности. При выполнении облучателя на основе волноводных узлов и трактов в его раскрыве устанавливаются излучатели в виде рупоров или открытых концов волноводов. Широкое распространение получили волноводные облучатели с четырьмя и двенадцатью рупорами. Одной из основных электрических характеристик такого облучателя при использовании его в составе приемо-передающей антенны является развязка передающего и приемного трактов. Согласование раскрыва приемо-передающего облучателя оказывает существенное влияние на развязку его волноводных трактов. При малых поперечных размерах излучателей в виде открытых концов волноводов не удается получить высокие показатели развязки волноводных трактов без применения дополнительных согласующих элементов. Поставлена задача исследования влияния согласования раскрыва волноводного многоэлементного облучателя на развязку его передающего и приемного трактов, а также способов согласования его излучателей.В статье рассмотрен четырехрупорный облучатель, раскрыв которого содержит излучатели в виде открытых концов квадратного волновода. В каждом излучателе предусмотрены радиусные скругления, необходимые для изготовления изделия с применением доступных технологических процессов. Для согласования излучателя внутри него устанавливается диэлектрическая пластина. В процессе исследования изменялись толщина пластины и ее расположение относительно плоскости раскрыва. Представлены характеристики согласования излучателей с пластиной из фторопласта,  полиэтилена и материала СТ-4 на основе полимеров, наполненных двуокисью титана.Предложенный способ согласования раскрыва многоэлементного облучателя при поперечном размере излучателя 0,68λ (λ – длина волны в свободном пространстве, соответствующая средней частоте рабочего диапазона) позволяет в полосе частот до 3% улучшить развязку приемного и передающего волноводных трактов не менее чем на 4 дБ

Применение нечетных функций Матье для синтеза секторной диаграммы направленности многоэлементного излучателя

The paper studies synthesizing capabilities of a flat-topped radiation pattern when using the expansion of the target radiation pattern into a series in terms of odd Mathieu functions. As parameters for comparing the target and synthesized radiation patterns, we used a main-lobe width at a level of -1 dB and an irregularity of the top of the main-lobe of the radiation pattern. The sector-shaped radiation pattern has been synthesized for linear radiators of various lengths. The convergence of the coefficients of the Mathieu series in the synthesis of the sector-shaped radiation pattern has been estimated. It is shown that the use of piecewise-linear approximation of the target radiation pattern in the synthesis using a series expansion into odd Mathieu functions allows us to improve the quality of the radiation pattern formed.The task that involved finding the amplitude-phase distribution for a linear emitter with a length of 3λ, 4λ and 5λ (λ is operation wavelength) for a target radiation pattern was solved. The target amplitude distribution has the following electrical characteristics: the main-lobe width is 37.5° at a level of -1 dB and the side lobe level (SLL) is -20 dB. The synthesis procedure was performed for two cases. In the first case, the target radiation pattern is represented by a piecewise constant function with a given width. In the second case, the target pattern was specified using piecewise linear approximation of the top and slopes of the main lobe.Comparison of the radiation patterns obtained shows that in the first case, the main-lobe width of the radiation pattern at a level of -1 dB is 34°, the SLL varies from -15.6 to -17 dB, and the irregularity of the main-lobe top of the radiation pattern lies within 0.9 ... 1.2 dB. In the second case, the main-lobe width of the antenna radiation pattern at a level of -1 dB is 36.5°, the SLL is -17.5 dB, and the irregularity of the main-lobe top is 0.4 dB at most. When used, the considered under consideration enables us to obtain both the synthesized patterns for linear radiators of various lengths, and the corresponding amplitude-phase distributions and coefficients of the Mathieu series. An estimate of the convergence of the Mathieu series shows that the use of linear approximation of the target radiation pattern in some cases allows up to 2.7-fold increase in acceleration of the convergence of the Mathieu series. The accuracy of reproducing the sector-shaped pattern by the synthesis method using the expansion into odd Mathieu functions gives good results when synthesizing the amplitude-phase distribution for the linear radiators with an electric length of 5λ or more.Исследованы возможности синтеза секторной диаграммы направленности (ДН) с плоской вершиной главного лепестка при использовании разложения целевой диаграммы направленности в ряд по нечетным функциям Матье. В качестве параметров для сравнения целевой и синтезированной диаграмм направленности использовались ширина главного лепестка по уровню -1 дБ и неравномерность вершины главного лепестка диаграммы направленности. Проведен синтез секторной диаграммы направленности для линейных излучателей различной длины. Выполнена оценка сходимости коэффициентов ряда Матье при синтезе секторной диаграммы направленности. Показано, что использование кусочно-линейной аппроксимации целевой диаграммы направленности при синтезе с помощью разложения в ряд по нечетным функциям Матье позволяет улучшить качество формируемой ДН.Решена задача нахождения амплитудно-фазового распределения для линейного излучателя длиной 3λ, 4λ и 5λ (λ – рабочая длина волны) по заданной ДН. Целевая диаграмма направленности имеет следующие электрические характеристики: ширина главного лепестка 37,5° по уровню -1 дБ, УБЛ -20 дБ. Процедура синтеза выполнена для двух случаев. В первом случае целевая ДН представлена кусочно-постоянной функцией с заданной шириной. Во втором случае целевая ДН задана с помощью кусочно-линейной аппроксимации вершины и скатов главного лепестка.Сравнение полученных ДН показывает, что в первом случае ширина главного лепестка ДН по уровню -1 дБ составляет 34°, УБЛ изменяется от -15,6 до -17 дБ, а неравномерность вершины главного лепестка ДН лежит в пределах 0,9…1,2 дБ. Во втором случае ширина главного лепестка ДН по уровню -1 дБ равна 36,5°, УБЛ -17,5 дБ, а неравномерность вершины главного лепестка не более 0,4 дБ. Применение рассмотренного метода позволяет получать синтезированные ДН для линейных излучателей различной длины, а также соответствующие им амплитудно-фазовые распределения и коэффициенты ряда Матье. Оценка сходимости ряда Матье показывает, что использование линейной аппроксимации заданной ДН позволяет ускорить сходимость ряда Матье в некоторых случаях до 2,7 раз. Точность воспроизведения секторной ДН методом синтеза с помощью разложения по нечетным функциям Матье дает хорошие результаты при синтезе амплитудно-фазового распределения для линейных излучателей с электрической длиной 5λ и более

Исследование характеристик аэрозольных неоднородностей в приземной слое атмосферы в ближнем УФ диапазоне

For today necessity of atmosphere wind remote sensing for wide pool of applications require development of new measurement methods and improvement of already existing.Currently doppler methods for wind speed measuring have largest sensing range. Correlation-based methods are provide lower sensing range for wind speed measurement. However, doppler-based lidar are expensive in opposite to simply designed correlation lidars that additionally allows to measure wind profile along sensing direction.Development of wind correlation lidars required knowledge of atmosphere aerosol inhomogeneities parameters.The most experimental research till now in this area are related to visible spectral range.One of the perspective eye-safety spectral range for wind lidar is UV spectral region. There not so much experimental research works of aerosol inhomogeneities parameters in UV.This paper is related to field experiments of aerosol inhomogeneities parameters in planetary boundary layer on 0.355 um operating wavelength.Block diagram and parameters of lidar with 0.355 operating wavelength is shown. Process of experiments is described. Typical atmosphere backscattering echo-signal for single laser pulse is demonstrated.Procedures if lidar signals processing are described, example of two-dimensional field of relative fluctuations of volume backscattering coefficient for different atmosphere conditions is shown.Results of measurement data processing shown that in planetary boundary layer average contrast of aerosol inhomogeneities in most cases has values in range 0,4% – 10 % (in case of snow up to 25%), and size in range 1,5 – 20 m. Dependency of observation number of aerosol inhomogeneities by range z from lidar to backscattering volume is descending with 1/z manner that the same for dependency for signal-noise ratio SNR(z).На сегодняшний день необходимость дистанционного контроля атмосферного ветра для широкого круга прикладных задач требует разработки новых и совершенствования существующих дистанционных методов измерения ветра.В настоящее время наибольшей дальностью зондирования обладают доплеровские лазерные методы измерения скорости ветра. Корреляционные лазерные методы обеспечивают меньшую дальность измерения скорости ветра. Однако, они не только являются более простыми (и, соответственно, требующими менее дорогую аппаратуру), но и потенциально позволяют оперативно измерять профиль полного вектора скорости ветра по трассе зондирования.Разработка ветровых корреляционных лидаров требует данных о характеристиках аэрозольных неоднородностей атмосферы.На сегодняшний день большинство экспериментальных исследований в этой области посвящено измерениям в видимом спектральном диапазоне.Одним из перспективных безопасных для зрения спектральных диапазонов для ветровых лидаров является ультрафиолетовый (УФ) спектральный диапазон. Экспериментальных исследований характеристик аэрозольных неоднородностей атмосферы в УФ диапазоне очень мало.Статья посвящена натурным исследованиям характеристик аэрозольных неоднородностей атмосферы в приземной слое атмосферы на длине волны 0,355 мкм.Приведена структурная схема и параметры лазерного измерителя, работающего на длине волны 0,355 мкм. Описана схема проведения экспериментов. Показан типичный эхо-сигнал, обратно рассеянный атмосферой при лазерном зондировании на длине волны 0,355 мкм одиночным импульсом.Описаны процедуры обработки лидарных сигналов, приведены примеры двухмерных полей относительных флуктуаций объемного коэффициента обратного рассеяния для разных атмосферных условий.Результаты обработки данных измерений показывают, что в приземном слое атмосферы средний контраст аэрозольных неоднородностей в большинстве случаев находится в диапазоне значений от ~ 0,4 % до ~ 10 % (в случае небольшого снега до ~ 25 %), а размер аэрозольных неоднородностей атмосферы в подавляющем большинстве случаев находится в диапазоне от ~ 1,5 м до ~ 20 м. Зависимость количества наблюдений аэрозольных неоднородностей от расстояния z от рассеивающего объема атмосферы до лидара является убывающей ~ 1/z и коррелирует с аналогичной зависимостью отношения сигнал/шум от расстояния z

Навигационное обеспечение мониторинга подстилающей поверхности БПЛА с пассивным оптическим датчиком

На сегодняшний день с помощью беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) решается широкий круг задач, в том числе мониторинг окружающей среды и обследование зон чрезвычайных ситуаций, при которых выполняется локация различных объектов на подстилающей поверхности и их последующая привязка к географическим координатам.Развитие беспилотных систем в настоящее время тесно связано с оптическими датчиками, используемыми на БПЛА всех типов. Пассивные оптические датчики имеют малые массу и габариты, потребляют небольшую мощность от бортовой сети электропитания, при этом они могут измерять дальности до объектов со сложной конфигурацией и ненормированным коэффициентом отражения поверхности.Цель данной работы – анализ требований к навигационной аппаратуре при измерении дальности монокулярным пассивным оптическим датчиком до статических наземных объектов с борта БПЛА и их последующей привязке к географическим координатам.Выполнены оценки разных вариантов осуществления оптической локации наземных объектов параллаксным методом измерений с оптической и навигационной аппаратурой на борту легких БПЛА малого радиуса действия, мини- и микро-БПЛА. В качестве источников навигационных данных может быть использована аппаратура спутниковой навигации, телекамеры, бесплатформенная инерциальная навигационная система, барометрический высотомер и цифровой компас.При использовании рассматриваемых навигационных датчиков обеспечивается измерение дальностей до 1000 м с относительной погрешностью не более 10 %. При привязке объектов к географическим координатам оценки погрешности как для прямолинейной, так и для сложной траектории полета БПЛА различаются не более чем на 4,1 м для всех типов навигационных датчиков, а позиционная ошибка не превышает 150 м при величине ошибки по высоте не более 40 м.В ранее известных работахоценка измерений выполнялась на малом базисе (уход БИНС не учитывался), а привязка обнаруженных объектов к географическим координатам не выполнялась.Результаты работы могут применяться в разработке навигационных систем различных БПЛА и беспилотных систем мониторинга наземной обстановки

Адресный волоконно-оптический датчик для измерения относительной влажности в комплектных распределительных устройствах

A number of governing documents and by-laws of the Russian Federation, branch ministries, departments and companies have introduced the use of measuring relative air humidity, elements insulation, and SF6 into operation and maintenance process of complete switchgear. A wide range of high-precision laboratory instruments has been developed to implement these measurements. However, as a rule, these are scheduled measurements to be carried out once or twice a quarter, although the constant on-line monitoring of humidity is concerned in both the production and scientific circles of the energy industry. The possibility of on-line monitoring appeared with the advent of fiber-optic object-based passive networks for collecting information and the possibility of forming interrogation channels in them, which is provided for by the development of the Smart Grid Plus concept. Fiber optic sensors, single in their physical layer structure with passive optical networks, are highly robust and resistant to high electromagnetic fields, typical of those generated in a switchgear, and are designed to operate in harsh environments. Among their broad class, fiber optic sensors on Bragg gratings, which differ from others by direct measurement methods, have significant advantages. In particular, an increase or decrease in relative humidity will lead to a corresponding change in the wavelength of the sensing source reflected from the grating, which can be measured with an accuracy of sixth place from its absolute value.This paper proposes to consider a two-element sensor of relative humidity of a parallel structure, which differs from the existing ones by using address fiber Bragg gratings made in SMF-28 fiber. One of the gratings has a polyimide-replaced quartz shell, synthesized using a reductant fiber coating, and a completely multiplicative response to temperature and deformation caused by humidity. The second grating is recorded in a standard fiber and responds only to temperature. It is possible to include an additional third grating with a partially etched cladding, which can be used for refract metric measurements of the amount of condensed moisture on the elements of a complete switchgear. All the gratings are identical, have, as a rule, the same Bragg wavelength after manipulating their claddings, but they have differing unique addresses, which are formed by recording two transparency windows in each of the gratings with different difference frequency space. The transparency windows correspond to phase p-shifts symmetrically located at the same distance from the center of each grating. The structure obtained makes it possible to record information of the measurement conversion at the said difference frequencies in the radio range, which significantly increases the speed of relative humidity measurements and their accuracy by an order of magnitude more. In addition to what has been said, it is possible to note the capability for building a network of these sensors in series arranged in switchgear devices, with a different radiofrequency address group being used in each of them.Рядом руководящих документов и подзаконных актов Российской Федерации, отраслевых министерств, ведомств и компаний измерение относительной влажности воздуха, изоляции элементов, элегаза введено в практику процесса эксплуатации и обслуживания комплектных распределительных устройств. Разработан широкий спектр высокоточных лабораторных приборов, которые используются для реализации указанных измерений. Однако, как правило, данные измерения проводятся планово, один-два раза в квартал, хотя о постоянном онлайн мониторинге влажности речь идет как в производственных, так и научных кругах энергетической отрасли. Возможность онлайн мониторинга появилась с появлением волоконно-оптических объектовых пассивных сетей сбора информации и возможности формирования в них сенсорных каналов, что предусмотрено также развитием концепции «Smart Grid Plus». Волоконно-оптические датчики, единые по структуре физического уровня с пассивными оптическими сетями, обладают высокой помехоустойчивостью, не подвержены влиянию мощных электромагнитных полей, характерных для создаваемых в комплектных распределительных устройствах, предназначены для работы в жестких условиях эксплуатации. Среди их широкого класса существенными преимуществами обладают волоконно-оптические датчики на брэгговских решетках, которые отличаются от других прямыми методами измерений. В частности, увеличение или уменьшение относительной влажности приведет к соответствующему изменению отраженной от решетки длины волны зондирующего источника, которая может быть измерена с точностью до шестого знака от ее абсолютного значения.В данной работе предложен к рассмотрению двухсенсорный датчик относительной влажности параллельной структуры, отличающийся от существующих использованием адресных волоконных брэгговских решеток, выполненных в волокне SMF-28. Одна из решеток имеет замененную полиимидом кварцевую оболочку, синтезированную с помощью восстановителя покрытия волокна, и полный мультипликативный отклик к температуре и деформации, вызванной влажностью. Вторая – представляет собой решетку, записанную в стандартном волокне, и реагирует только на температуру. Возможно включение дополнительной третьей решетки с частично вытравленной оболочкой, которая может быть применена для рефрактометрических измерений количества конденсированной влаги на элементах комплектного распределительного устройства. Все решетки идентичны, имеют, как правило, одинаковую длину волны Брэгга, после манипуляции над их оболочками, но отличаются уникальным адресом, который формируется записью двух окон прозрачности в каждой из решеток с различным разностным частотным пространством. Окна прозрачности соответствуют фазовым p-сдвигам, симметрично расположенным на одинаковом расстоянии от центра каждой из решеток. Полученная структура позволяет регистрировать информацию измерительного преобразования на указанных адресных разностных частотах в радиодиапазоне, что существенно повышает быстродействие измерений относительной влажности и их точность еще на порядок. В дополнение к сказанному можно отметить возможность построения сети указанных датчиков в последовательно расположенных комплектных распределительных устройствах, при этом в каждом из шкафов будет использована другая радиочастотная адресная группа