Вісник Харківського національного університету імені В. Н. Каразіна. Серія «Радіофізика та електроніка»

Неруйнівний контроль автомобільних доріг за допомогою георадарів (оглядова стаття, частина II)

Д. О. Батраков — 2022-06-28

Актуальність. Актуальність досліджень, які викладено в статті, обумовлена, в першу чергу, спрямованістю на реалізацію державної стратегії забезпечення надійності та подовження залишкового ресурсу транспортних та інженерних споруд. Реалізація пов’язана з методами та засобами отримання інформації та її обробки у реальному масштабі часу, а також з методами оцінки стану інженерних споруд, особливістю яких є значна неоднорідність геометричних і фізико-механічних параметрів. Зрозуміло, що це ускладнює використання результатів діагностики. При цьому, незважаючи на переваги хвильових методів зондування, застосування таких методів стримується складністю завдань інтерпретації отриманих результатів та пов'язаними з цим похибками у визначенні параметрів конструкцій, а також багатофакторністю завдань оцінки параметрів багатокомпонентних матеріалів конструкцій та недосконалістю існуючих методів дефектоскопії.

Мета роботи – огляд можливостей сучасних імпульсних георадарів, а також засобів обробки надширокосмугових сигналів спільно з комп'ютерно-орієнтованими системами чисельного моделювання та оптимізація методів обробки георадарних даних з метою вирішення задач виявлення та ідентифікації підповерхневих неоднорідностей у конструкції нежорсткого дорожнього одягу автомобільних доріг, які припускають застосування моделей плоскошаруватого середовища.

Матеріали та методи. У другій частині статті наведено короткий огляд сучасних методів обробки наборів даних, що отримуються за допомогою імпульсних георадарів. Для досягнення мети було необхідно вирішити кілька завдань. Перше завдання полягає у виборі оптимальних технічних засобів з метою отримання вихідної інформації, а також обгрунтування технічних характеристик георадарів. Ще одне завдання пов'язане з розробленням ефективних методів обробки отриманих даних. Останнє завдання має на меті встановлення зв’язків отриманих даних з геометричними та фізико-механічними характеристиками дорожнього покриття.

Результати. Основу отриманих результатів становлять дані дистанційного зондування, а також запропоновані математичні моделі та методи обробки даних дистанційного зондування. За результатами проведеного порівняльного аналізу можливостей імпульсних георадарів в роботі запропоновано практичні рекомендації щодо підвищення надійності пошуку та ідентифікації таких дефектів як підповерхневі тріщини та ділянки втрати міжшарового зчеплення між шарами конструкції дорожнього одягу.

Висновки. Представлені в статті результати лабораторних експериментів свідчать про потужні можливості сучасних технологій дистанційного зондування. Аналіз існуючих засобів дистанційного зондування, в першу чергу, за допомогою георадарів дозволив сформулювати якісно новий підхід до вирішення актуальної проблеми виявлення прихованих дефектів у шаруватих конструкціях. Також слід зазначити, що існують можливості вдосконалення технічних засобів та методів обробки георадарних даних.

Обгрунтування методу редукції при застосуванні методу нульового поля

Д. О. Батраков — 2022-06-28

Актуальність. Актуальність сформульованого завдання обумовлена, насамперед, прогресом у галузі обчислювальної техніки та зростанням потужності сучасних персональних комп'ютерів. Це значно поширює клас чисельно-аналітичних методів, які можна використовувати в процессі побудови алгоритмів обробки даних в режимі реального часу. Для підвищення ефективності використання сучасного діагностичного обладнання необхідні подальші дослідження таких фундаментальних явищ природи як дифракція та розсіювання монохроматичних електромагнітних хвиль та імпульсних сигналів на об'єктах різної форми та з різними електрофізичними властивостями, а також сигналів різного поляризаційного стану.

Мета роботи – дослідження фізичних закономірностей дифракції та розсіювання монохроматичних електромагнітних хвиль та імпульсних сигналів на об'єктах різної форми та з різними електрофізичними властивостями, розташованих у тому числі й у плоскослоїстих середовищах, розвиток методів вирішення відповідних електродинамічних завдань.

Матеріали та методи. Для моделювання та дослідження поширення та дифракції гармонійних та надширокосмугових електродинамічних сигналів у даній роботі застосовується суворий метод нульового поля, який ґрунтується на зведенні граничного завдання для рівнянь Максвелла до набору інтегро-диференціальних рівнянь та подальшої побудови алгоритму розв'язання задачі за допомогою проекційної схеми.

Результати - отримано узагальнення способу нульового поля на вирішення завдань поширення полів точкових джерел (нитка електричного чи магнітного струму) в плоскослоистых середовищах з двовимірними неоднорідностями; – запропоновано розвиток алгоритмів моделювання поширення надширокосмугових імпульсних сигналів у плоскошарових середовищах з циліндричними включеннями, що спираються на розкладання вихідних сигналів до рядів Фур'є. Результати роботи знайшли відображення у двох нормативних документах: – Р В. 2.3-218-02071168-781:2011 Рекомендації щодо визначення товщини конструктивних шарів існуючого дорожнього одягу; – М 218-02071168-705:2012 Методика дефектоскопії шарів дорожнього одягу методами підповерхневого зондування.

Висновки. Отримані результати свідчать, що чисельно-аналітичні методи сучасної електродинаміки є ефективним інструментом вирішення ряду важливих прикладних завдань, у тому числі задач неруйнівного контролю. У достатній мірі апробовані методи розв'язання двовимірних задач розсіювання електромагнітних хвиль можуть знайти застосування не тільки для вирішення проблем дефектоскопії, але й скласти основу для метрологічного забезпечення процесу вимірювань за допомогою дефектометричних комплексів та тим самим підвищення надійності вимірювань.

Спектральний склад флуктуацій геомагнітного поля впродовж геокосмічних бур 21–23 березня 2017 р.

Л. Ф. Чорногор — 2022-06-28

Актуальність. Магнітні бурі вивчаються давно. Особлива увага приділяється унікальним бурям, число яких 1–3 у циклі сонячної активності. Число помірних бур набагато більше. Встановлено, що магнітні бурі відрізняються великою різноманітністю. Кожна буря по-своєму індивідуальна. Тому представляє інтерес детальне вивчення будь-якої магнітної бурі.

Мета цієї роботи – виклад результатів спектрального аналізу флуктуацій геомагнітного поля протягом геокосмічної бурі 21–23 березня 2017 р. та у сусідні дні.

Методи і методологія. Для аналізу рівня флуктуацій горизонтальних H і D компонент геомагнітного поля в діапазоні періодів 1–1000 с використовувалася база даних вимірювань, проведених у Магнітометричній обсерваторії ХНУ імені В. Н. Каразіна (географічні координати: 49°38' пн.ш., 36°56' сх.д.) за допомогою магнітометра-флюксметра. Часові варіації H(t) і D(t) піддавалися системному спектральному аналізу, що базується на взаємодоповнюючих віконному перетворенні Фурʼє, адаптивному перетворенні Фурʼє (АПФ) та вейвлет перетворенні. АПФ має кращу роздільну здатність за періодом.

Результати. Проведено системний спектральний аналіз флуктуацій рівня горизонтальних компонент геомагнітного поля в діапазоні періодів 1–1000 с, а також окремо для трьох піддіапазонів: 1–50 с, 50–200 с та 200–1000 с. Найбільшу інтенсивність мали складові у піддіапазоні 200–1000 с. У контрольні дні рівень флуктуацій зазвичай не перевищував ±(0.2–0.5) нТл. Під час магнітних бур він збільшувався до ±(4–6) нТл для першої бурі та до ±2 нТл для другої бурі. Протягом раптового початку першої бурі період переважаючого в спектрі коливання був близький до 350 і 600 с. Протягом головної фази магнітних бур період переважаючого в спектрі коливання становив 800–900 с. Протягом фази відновлення магнітних бур рівень флуктуацій геомагнітного поля зазвичай не перевищував ±(1–2) нТл, а період переважаючого коливання – 700–900 с. Рух ранкового та вечірнього сонячного термінатора супроводжувався збільшенням рівня флуктуацій геомагнітного поля.

Варіації повного електронного вмісту в екваторіальній іоносфері, викликані сонячним затемненням 21 червня 2020 р.

Л. Ф. Чорногор — 2022-06-28

Актуальність. Сонячне затемнення (СЗ) характеризується численними динамічними процесами у всіх оболонках Землі та геофізичних полях. Кожне СЗ є причиною регулярних і нерегулярних ефектів, які притаманні лише йому. На це впливає фаза СЗ, географічні координати, сонячна активність, пора року, час доби, атмосферно-космічна погода й інші фактори. Тому задача всебічного та поглибленого дослідження фізичних процесів
у геооболонках для кожного нового СЗ є актуальною.

Мета цієї роботи – опис результатів аналізу часових варіацій повного електронного вмісту (ПЕВ)
у вертикальному стовпі іоносфери, викликаних СЗ 21 червня 2020 р. у області поблизу екватору Землі. Затемнення було унікальне тим, що воно спостерігалося в екваторіальних і субтропічних широтах поблизу періоду літнього сонцестояння та мало кільцеподібний характер.

Методи і методологія. Для аналізу обрано індійські станції, які розташовані на південь від області максимальної фази. Сумарна похибка оцінки ПЕВ не перевищує 0.1 TECU.

Результати. Проаналізовано часові варіації ПЕВ для траєкторії супутників і розташування приймальних станцій, що знаходилися південніше області максимального затемнення. Для більшості часових залежностей ПЕВ N_V(t) величина дефіциту ΔN_V зростала при збільшенні площі покриття диску Сонця. Відмінності в цій залежності може бути пояснено особливостями іоносфери в екваторіальному поясі Землі. Найбільше падіння ПЕВ могло становити 4 TECU за M_max »-0.643. Відносні варіації концентрації електронів при цьому складали –19%. В ранковий час зменшення ПЕВ не перевищувало 2 TECU за N_V₀ » 13.5–14.5 TECU. При цьому відносне зменшення концентрації електронів d_V = –11%. Під час кільцеподібного затемнення зміни характеру хвильових форм у варіаціях концентрації електронів практично не виявлено.

Дифракція H-поляризованої хвилі на скінченній графеновій стрічковій решітці, розташованій на діелектричній підкладці

М.Є. Каліберда — 2022-06-28

Актуальність. Графен є досить новим двовимірним матеріалом, властивості якого можна динамічно налаштовувати під зовнішнім впливом шляхом застосування електростатичного або магнітостатичного поля. До того ж графен здатен поглинати електромагнітне поле. Графенові стрічкові решітки з підкладкою можуть знайти своє застосування у динамічно настроюваних пристроях антенної техніки, у якості частотно-селективних поверхонь, фільтрів, поглиначів, тощо.

Мета роботи. Метою роботи є розвинення строгих чисельно-аналітичних методів на базі методу сингулярних інтегральних рівнянь на графенові стрічкові решітки на діелектричній підкладці, дослідження електродинамічних властивостей такої структури.

Матеріали та методи. Для розв’язання задачі дифракції плоскої хвилі на скінченній системі графенових стрічок, розміщених на діелектричній підкладці, використовується метод сингулярних інтегральних рівнянь. Розсіяне структурою поле виражається через одну невідому функцію, яка є амплітудою Фур’є. З граничних умов на графенових стрічках та на границі розділу вакуум-діелектрик отримані парні інтегральні рівняння, які зведено до сингулярного інтегрального рівняння з додатковими умовами на системі відрізків відносно невідомої похідної густини струмів на стрічках. Розв’язок отримано з використанням алгоритму типу Найстрема. Ядро сингулярного інтегрального рівняння може мати особливості у вигляді полюсів у точках, які відповідають постійним поширення власних хвиль діелектричного хвилеводу. Для виключення цих особливостей проведено процедуру регуляризації.

Результати. Отримано сингулярне інтегральне рівняння з додатковими умовами. Показано, що досліджувана структура підтримує цілу низку резонансів: плазмонні резонанси, резонанси на решіткових модах, резонанси поблизу аномалій Релея. Положенням плазмонних резонансів на частотній осі можливо керувати динамічно, за рахунок прикладення електростатичного поля. Найбільш вираженим є перший плазмонний резонанс.

Висновки. У роботі з використанням методу сингулярних інтегральних рівнянь отримано строгий розв’язок задачі про дифракцію H-поляризованих плоских хвиль на решітці з графенових стрічок, які розташовані на верхній частині діелектричної підкладки. Максимуми частотних залежностей перерізів розсіяння та поглинання відповідають плазмонним резонансам. Поблизу резонансів на решітковій моді спостерігається збільшення енергії власних хвиль відповідного діелектричного хвилеводу. Проте їх збудження стає помітним лише для відносно товстої підкладки.

Селекція та фокусування мод вищих порядків у безперервному хвилевідному терагерцовому лазері

О. В. Гурін — 2022-06-28

Актуальність. Розглядаються задачі селекції та фокусування мод вищого порядку діелектричного хвилевідного лазера. Запропонована та досліджена схема селекції мод в хвилевідних квазіоптичних резонаторах може бути використана при розробці та створенні нових конструкцій лазерних систем з керованими характеристиками для наукових і прикладних досліджень - одномодових лазерів з заданою формою та поляризацією вихідного пучка. Результати досліджень фокусування лазерних пучків можуть бути використані для розв’язання задач, що пов’язані з взаємодією електромагнітних хвиль з речовиною: діагностика поверхні матеріалів, тонких плівок, біологічних об’єктів, досягнення субхвильової роздільної здатності ТГц томографії, для радіолокаційних та телекомунікаційних застосувань тощо.

Мета роботи — встановлення фізичних закономірностей селекції та фокусування хвильових лазерних пучків безперервного випромінювання терагерцового діапазону з різною просторовою поляризацією.

Матеріали та методи. В роботі для розрахунку модових характеристик хвилевідного лазерного резонатора з неоднорідним фазоступеневим дзеркалом використовувався матричний метод. Для вивчення поширення і фокусування лазерних пучків, збуджуваних модами хвилевідного квазіоптичного резонатора в різних зонах дифракції, була застосована векторна теорія Релея-Зоммерфельда. Для експериментального вивчення досліджуваних явищ застосовувалися добре відомі методи вимірювань ТГц діапазону.

Результати. Вперше запропоновано, теоретично обґрунтовано та експериментально підтверджено метод селекції вищої EH₁₂_q-моди в лазерному резонаторі терагерцового діапазону, що спирається на розміщенні канавки шириною 2,3 – 2,8 l на поверхні одного з дзеркал резонатора. Це дозволяє значно збільшити втрати для всіх небажаних мод. При цьому втрати для вищої ЕH₁₂_q-моди залишаються практично незмінними, що створює умови для її переважного збудження. Проведено теоретичні й експериментальні дослідження помірного та гострого фокусування у вільному просторі мод вищого порядку з різною просторовою поляризацією діелектричного хвилевідного резонатора.

Висновки. Показано, що запропоноване фазовоступеневе дзеркало з канавкою ефективно селектує необхідну вищу поперечну моду. Показано, що лінійно поляризована EH₁₂_q-мода має максимальну інтенсивність поля в фокальній області лінзи. Для азимутально поляризованих TE_02q- та TE_03q-мод максимум поля мають центральні лепестки, які помітно зміщені від фокуса лінзи. При гострому фокусуванні в розподілі поля у радіально поляризованих TМ_02q- та ТМ₀₃_q-мод спостерігається зростання осьової інтенсивності. При цьому їх центральні лепестки, як і у вищих TE₀_nq-мод, помітно зміщені від фокуса лінзи.