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

Огляд сучасних методів обробки сигналів георадарів у завданнях дефектоскопії

Д.О. Батраков, М.С. Антюфєєва, А.Г. Батракова, С.М. Урдзік — Wed, 02 Nov 2022 00:00:00 +0000

Актуальність. Актуальність досліджень обумовлена необхідністю реалізації стратегічних завдань щодо подовження залишкового ресурсу інженерних споруд та забезпечення їх надійності. Реалізація цього напрямку пов'язується з методами підповерхневого зондування, засобами отримання інформації та її обробки. Незважаючи на значні успіхи у розробленні сучасних методів обробки сигналів георадара, завдання вибору найбільш ефективного методу відповідно до мети георадарного зондування досі не вирішено. Вирішення означеного завдання має грунтуватися на аналізі сучасних методів обробки сигналів георадара з визначенням області їх застосування, обмежень та переваг.

Мета роботи – полягає в аналізі можливостей сучасних надширокосмугових георадарів і методів обробки імпульсних сигналів георадара для вирішення завдань дефектоскопії у плоскошаруватих структурно неоднорідних конструкціях.

Матеріали та методи. Основу досліджень створюють фізико-математичні моделі поширення надширокосмугових сигналів у плоско-шаруватих середовищах, сучасні моделі і методи обробки та інтерпретації даних георадарного зондування стосовно до завдань дефектоскопії нежорсткого дорожнього одягу на автомобільних дорогах.

Результати. За результатами проведеного аналізу визначено область застосування методів обробки сигналів георадара стосовно до завдання пошуку та позиціонування підповерхневих неоднорідностей у плоско-шаруватих структурно неоднорідних середовищах, зокрема у нежорсткому дорожньому одязі. Визначено напрямки подальших досліджень в області георадарної діагностики підповерхневих неоднорідностей.

Висновки. Накопичений значний досвід застосування георадарів для вирішення завдань дефектоскопії, але дослідження в області георадарної діагностики підповерхневих тріщин дуже обмежені. Подальші дослідження мають бути спрямовані: на удосконалення методів визначення діелектричної проникності у багатошарових конструкціях, що підвищує надійність інтерпретації георадарних даних; розвиток методів реєстрації та аналізу сигналу, відбитого від неоднорідностей конструкції, що створює теоретичний фундамент дефектоскопії та розширює можливості георадарної діагностики; обґрунтування типу антенних блоків для проведення вимірювань, що дозволить підвищити їх точність.

Цифровий голографічний інтерференційний мікроскоп: фізичні методи та алгоритми обробки інформації

В.П. Титар, О.В. Шпаченко — Thu, 27 Oct 2022 00:00:00 +0000

Актуальність. Інтерферометричні методи тривимірної візуалізації мікрооб’єктів є значною мірою неінвазивними та безконтактними. Вони можуть застосовуватися для отримання інформації в реальному масштабі часу при дослідженні живих об'єктів та таких, які швидко змінюються. Інтерферометричні методи у поєднанні з методами голографічної мікроскопії здатні скласти гідну конкуренцію таким передовим неоптичним методам, як електронна та атомно-силова мікроскопія. Тому теоретичний та науково-практичний розвиток методів цифрової голографічної інтерференційної мікроскопії є важливою та актуальною задачею.

Мета роботи – вибір оптимального методу тривимірної візуалізації фазових мікрооб'єктів та створення на його основі лабораторного макету цифрового голографічного інтерференційного мікроскопу (ЦГІМ), а також проведення експериментів для вивчення на практиці технічних можливостей розробленого пристрою.

Матеріали та методи. Для створення ЦГІМ використано метод інтерференції у смугах кінцевої ширини, а також методи та принципи оптичної голографії.

Результати. Теоретично обгрунтовано вибір методу інтерференції у смугах кінцевої ширини для тривимірної візуалізації фазових мікрооб'єктів. Представлено схему оптичної частини ЦГІМ. Наведено опис алгоритму обробки отриманої за його допомогою інформації для відновлення тривимірного зображення фазових мікрооб'єктів. Проведено теоретичний розрахунок роздільної здатності ЦГІМ. На прикладі дослідження тонких прозорих плівок показано ефективність використання ЦГІМ у дослідженні тривимірної морфології та вимірюванні товщини фазових мікрооб'єктів з точністю до 10 нм.

Висновки. Представлено теоретичне обгрунтування та експериментальне підтвердження ефективності використання ЦГІМ у відновленні тривимірних зображень фазових мікрооб'єктів, вимірюванні їх фазових профілів, оптичної товщини та геометричних параметрів з високим ступенем точності в реальному масштабі часу. При цьому рель'єф поверхні мікрооб'єкту у напрямку оптичної осі ЦГІМ відновлюється з надвисоким розрізненням, що дозволяє візуалізувати деталі, розмір яких набагато менше довжини хвилі лазерного випромінювання, що використовується в цьому приладі. Такі характеристики дозволять широко використовувати ЦГІМ у різних галузях науки та техніки.

Великомасштабні збурення геомагнітного поля, що супроводжували потужний вибух вулкану Тонга 15 січня 2022 р.

Л. Ф. Чорногор, М. Ю. Голуб — Thu, 27 Oct 2022 00:00:00 +0000

Актуальність. Ряд авторів описали результати спостережень за варіаціями геомагнітного поля, що були викликані вибухом вулкану Тонга. При цьому головна увага приділялася аналізу квазіперіодичних процесів, збуренню системи нейтрального вітру, іоносферних струмів на висотах динамо-області атмосфери. Були описані часові варіації геомагнітного поля, що спостерігалися на низці віддалених від вулкану магнітних станцій із мережі Intermagnet. Актуальною задачею є більш детальний аналіз магнітного ефекту вулкану Тонга.

Мета цієї роботи – аналіз великомасштабних збурень геомагнітного поля, викликаних потужним вибухом вулкану Тонга, що відбувся 15 січня 2022 р.

Методи і методологія. Для аналізу використано дані вимірювань на світовій мережі магнітних станцій Intermagnet. Ці станції знаходилися по різні сторони від джерела збурень. Аналізу підлягали X-, Y- та Z-компоненти геомагнітного поля. Часова роздільна здатність – 1 хв, похибка не перевищувала 1 нТл. Проаналізовано часові варіації рівня геомагнітного поля з 12 по 18 січня 2022 р. Найбільш магнітоспокійними були доби 13 та 17 січня 2022 р. Саме вони використовувалися в якості контрольних.

Результати. У результаті аналізу часових варіацій X-, Y- і Z-компонент геомагнітного поля, зареєстрованих на станціях, що віддалені на відстані ~ 2000–8000 км від епіцентру вибуху вулкану Тонга, встановлено, що геомагнітний ефект носив глобальний характер. Виявлено шість груп збурень компонент геомагнітного поля, які могли бути викликані вибухом вулкану. Швидкості, близькі до ~ 4 та 1.5 км/с, властиві МГД хвилям. Швидкість, близька до ~ 1 км/с, характерна для вибухової хвилі. Швидкість ~ 500 м/с мають атмосферні гравітаційні хвилі. Збурення, що мали швидкості ~ 315 і 200 м/с, мабуть, поширювалися за рахунок хвилі Лемба та цунамі. Оцінено амплітуду квазіперіодичних збурень геомагнітного поля, що складала 1–10 нТл. Такі значення добре узгоджуються з результатами спостережень. Оцінки величини аперіодичних збурень дали значення 30–60 нТл, що також погоджувалося з результатами вимірювань.

Висновки. Підтверджено, що потужний вибух вулкану призвів до збурення усіх підсистем у системі Земля – атмосфера – іоносфера – магнітосфера.

Параметри рухомих іоносферних збурень: результати просторово рознесеного похилого ВЧ радіозондування

Thu, 27 Oct 2022 00:00:00 +0000

Актуальність. Особливості іоносферного радіоканалу полягають у залежності його параметрів від фази сонячної активності, стану Сонця, стану атмосферно-космічної погоди, пори року, часу доби, географічних координат тощо. Атмосфера й іоносфера, а значить і відповідні радіоканали, рідко бувають спокійними. Зазвичай вони збурюються високоенергетичним джерелами природного та техногенного походження. Саме збурення параметрів радіоканалу обмежують потенційні тактико-технічні характеристики систем радіозвʼязку, радіолокації, радіонавігації, дистанційного радіозондування Землі з космосу та радіоастрономії. Для зменшення впливу нестаціонарних і випадкових збурень необхідна їх діагностика та наступна адаптація до збурених умов. Динамічні процеси в атмосфері досліджуються багатьма радіофізичними методами: трансіоносферним радіозондуванням сигналами Глобальної навігаційної супутникової системи, некогерентного розсіяння, вертикального та похилого зондування іоносфери тощо. Похиле зондування іоносфери має низку переваг. При цьому використовують як власні радіопередавачі, так і передавачі світової мережі радіомовних або службових радіостанцій. Безперервний моніторинг іоносфери та іоносферного радіоканалу стає більш дешевим саме при використанні світової мережі. При цьому метод радіозондування є пасивним. Він дозволяє охопити моніторингом значні території Земної кулі (аж до глобальних). Метод має високу чутливість завдяки вимірюванням допплерівського зміщення частоти та амплітуди сигналу. Його роздільна здатність за часом складає близько 10 с, за частотою – 0.01–0.1 Гц. Точність вимірювання допплерівського зміщення частоти не гірше 0.01 Гц. При цьому вдається моніторити відносні варіації концентрації електронів N не менше 10^–4–10^–3 або досліджувати рух іоносферної плазми зі швидкістю не менше 0.1–1 м/с.

Метою цієї роботи є викладення результатів визначення головних параметрів рухомих іоносферних збурень над КНР за допомогою багатотрасового похилого ВЧ радіозондування іоносфери.

Методи і методологія. Для просторово рознесеного похилого ВЧ радіозондування іоносфери було використано багаточастотний багатотрасовий когерентний радіотехнічний комплекс, розміщений на території Харбінського інженерного університету. Моніторинг проведено на 14 радіотрасах різної протяжності та орієнтації. Для гармонічної моделі рухомих іоносферних збурень з використанням трьох радіотрас визначено фазові зсуви на двох інших радіотрасах по відношенню до опорної радіотраси. Цей зсув дорівнює добутку хвильового вектору на відому базу, що визначається відстанню та орієнтацією між радіопередавачами. В загальному випадку є не одне рухоме іоносферне збурення, а суперпозиція низки рухомих іоносферних збурень різних масштабів і напрямків їх руху. Для визначення параметрів цих збурень спочатку знаходяться крос-спектри, з яких обчислюються періоди та фази крос-спектрів.

Результати. Стосовно просторово рознесеного похилого радіозондування іоносфери зі застосуванням багаточастотного багатотрасового когерентного радіотехнічного комплексу ВЧ діапазону розроблено методику визначення періодів, горизонтальних довжин хвиль і азимуту приходу рухомих іоносферних збурень. За допомогою крос-спектрального аналізу визначено періоди, горизонтальні довжини хвиль, горизонтальну швидкість і азимути переважаючих за амплітудою рухомих іоносферних збурень. Підтверджено, що рухомі іоносферні збурення з періодами ~16–40 хв та швидкостями в декілька сотень метрів за секунду викликані генерацією та поширенням атмосферних гравітаційних хвиль. Хвилі з періодом ~10–13 хв мали електромагнітну природу. Відносна амплітуда збурень концентрації електронів у хвилі зазвичай складала ~1–10%. Як правило, рухомі іоносферні збурення переміщувалися вздовж магнітного меридіану, причому частіше за все з півночі на південь.

Висновки. Успішне функціонування комплексу та працездатність запропонованих методик продемонстровано на прикладі визначення основних параметрів рухомих іоносферних збурень.

Дифракція електромагнітної хвилі на лічильній безлічі розсіювачів

М. М. Легенький, М. А. Бугай — Tue, 29 Nov 2022 00:00:00 +0000

Актуальність. Задача розрахунку ефективної поверхні розсіювання (ЕПР) складних об'єктів має велике значення. Зазвичай, при створення радіолокаційних станцій вимірюють ЕПР на реальних цілях. Можливість точного теоретичного розрахунку за раніше створеним алгоритмом прискорила б розробку нових радіолокаційних станцій.

Мета роботи. Метою роботи є створення алгоритму розрахунку ЕПР реальних цілей за допомогою їх моделювання із використанням системи яскравих неполяризованих точок у просторі.

Матеріали та методи. Для розв'язання задачі моделювання складних об'єктів за допомогою великої кількості яскравих неполяризовних точок було використано комп'ютерну програму MATLAB. Всі рівняння було отримано, виходячи із властивостей електромагнітних хвиль та із рівняння радіолокації.

Результати. Отримано рівняння для розрахунку ЕПР лічільної безлічі розсіювачів для ближньої зони без урахування та з урахуванням дифракційного розсіювання хвиль, а також аналогічні рівняння для дальньої зони; наведене графіки для кожного із випадків.

Висновки. Розглянуто визначення ефективної поверхні розсіювання, виведено формули для системи із N розсіювачів для некогерентного випадку без дифракційного розсіювання для ближньої і дальньої зон, для некогерентного випадку з дифракційним розсіюванням для ближньої зони, для когерентного випадку без дифракційного розсіювання для дальньої і ближньої зон, для когерентного випадку з дифракційним розсіюванням для ближньої зони. Представлено чисельні розрахунки, виконані за цими рівняннями для різного розташування систем із 3 та 4 розсіювачів.

Знаходження об’єктів у неоднорідному ґрунті за допомогою імпульсного георадару та штучних нейронних мереж

О. А. Прищенко, В. А. Плахтій, П. Г. Фомін, Є. С. Ходачок — Tue, 25 Oct 2022 00:00:00 +0000

Актуальність. Виявлення прихованих об’єктів в товщі ґрунту є актуальною проблемою, що є важливою в будівництві, археології, гуманітарному розмінуванні, неруйнівному контролі дорожніх покриттів, дефектоскопії тощо. Дослідження особливостей поведінки електромагнітного поля в моделях неоднорідних середовищ дає змогу створювати системи підповерхневого зондування, які зможуть ефективно працювати в реальних умовах.

Мета роботи. Здійснити розпізнавання об’єкта, прихованого в неоднорідному середовищі, за допомогою надширокосмугового (НШС) георадару та штучної нейронної мережі (ШНМ), оцінити роботу нейронної мережі, яка навчається тільки на однорідних середовищах, дослідити стабільность результатів розпізнавання за наявності шуму різних рівнів у прийнятих антенною системою часових залежностях амплітуди електричного поля, провести порівняння результатів із донавченою мережею. Перевірити здатність ШНМ правильно ідентифікувати типові об’єкти, які не були задіяні в навчанні.

Матеріали та методи. Моделювання електродинамічної задачі поширення електромагнітного поля проводиться методом кінцевих різниць у часовому просторі (FDTD). Класифікація прихованих об’єктів проводиться за допомогою застосування підходу штучних нейронних мереж.

Результати. За допомогою використання георадару та ШНМ було розроблено ефективний алгоритм виявлення об’єктів у неоднорідній моделі ґрунту. Отримані імовірнісні розподіли класифікації прихованих об’єктів під впливом адитивного гаусового шуму.

Висновки. Використання ШНМ є успішним для класифікації об’єктів, що знаходяться у неоднорідному ґрунті. Продемонстрована здатність виявляти предмети, що містять мало металевих частин. Розроблений алгоритм має високий рівень шумостійкості навіть за малих значень сигнал-шум. Результати виявлення та розпізнавання типових об’єктів, які не були задіяні в тренуванні ШНМ, свідчать про ефективність цього підходу.

Аналітична форма розв’язку для нестаціонарного електромагнітного поля на границі двох середовищ

Д. І. Гавриленко, О. М. Думін, О. А. Прищенко — Tue, 29 Nov 2022 00:00:00 +0000

Актуальність. Використання нестаціонарних електромагнітних хвиль для задач зондування є перспективним через велику інформаційну ємність цих полів та здатність глибоко проникати у середовище із втратами. Практичним застосуванням цих можливостей є імпульсний надширокосмуговий георадар. Вдосконалення його параметрів для широкого використання потребує не тільки точного розв’язання відповідних електродинамічних задач, що зараз забезпечується використанням прямих числових методів розрахунку, але й аналітичних розв’язків, які дозволяють отримувати більш загальну інформацію про фізичні процеси перетворення електромагнітних хвиль. Ця інформація буде більш корисною у випадку одержання розв’язків у часовому просторі. Тому отримання аналітичного розв’язку хоча б для найпростіших моделей, однією з яких є плаский випромінювач з круглою апертурою, є досить актуальним, чому і присвячена дана стаття.

Мета роботи. Аналітично розв’язати нестаціонарну електродинамічну задачу проникнення імпульсної електромагнітної хвилі із одного середовища в інше середовище без втрат. Для досягнення цієї мети з використанням граничних умов необхідно знайти невідомі коефіцієнти із загальних розв’язків рівнянь Клейна-Гордона, що є множниками в еволюційних коефіцієнтах. Також треба дослідити випадки повного проходження та відбиття, за допомогою яких стане можливим уточнити отримані співвідношення.

Матеріали та методи. Задача поширення нестаціонарної імпульсної хвилі розв’язується методом еволюційних рівнянь. Загальний розв’язок рівнянь Клейна-Гордона отримується методом розділення змінних. Розв’язання неоднорідного рівняння Клейна-Гордона здійснюється методом функції Рімана. Пошук зв’язку між невідомими коефіцієнтами з розв’язаних рівнянь відбуватиметься з використанням граничних умов для тангенційних компонентів полів згідно законів класичної електродинаміки.

Результати. З використанням граничних умов класичної електродинаміки знайдено зв’язок між невідомими коефіцієнтами з рівнянь Клейна-Гордона, що описують різні стадії поширення хвиль. Запропонований загальний вигляд шуканого розв’язку, що подібний до формул Френеля. Розв’язок досліджено для крайніх випадків поширення хвиль: повне проходження та відбиття. На основі цих випадків зроблено висновок про загальний випадок розповсюдження хвилі.

Висновки. Еволюційні коефіцієнти, що характеризують електричну та магнітну компоненти поля, були зв’язані між собою умовами на границі середовищ, що дозволило знайти зв’язок між невідомими коефіцієнтами рівнянь Клейна-Гордона. Запропонований загальний розв’язок перевірено шляхом його підстановки до основних формул, що характеризують граничні умови. Для магнітної компоненти досягнуто повне узгодження граничних умов, а електрична складова вимагає додаткового уточнення шляхом введення додаткової поверхневої хвилі.

Антенна решітка на основі розімкнутих кільцевих випромінювачів

Fri, 02 Dec 2022 00:00:00 +0000

Актуальність. Створення антенних решіток для систем зв’язку є актуальними задачами у галузях безпілотної авіації, зокрема, для систем передачі відеосигналу. Також актуальність роботи обумовлена потребою використання саме направлених або однопроменевих антен для систем пеленгації і радіолокації.

Мета роботи. Теоретична та експериментальна перевірка можливості застосування, як поодиноких патч-антен, так і антенних решіток на їх основі, для систем передачі відеосигналу у діапазоні 5.8 ГГц. Оптимізація геометричних параметрів випромінювача, при яких коефіцієнт підсилення буде максимальним. Вирішення задачі ділення НВЧ потужності для живлення елементів антенної решітки.

Матеріали та методи. У роботі представлено теоретичні результати моделювання частотних і просторово-енергетичних характеристик поодинокого випромінювача і серії антенних решіток на його основі. Проведено порівняльний аналіз експериментальних і теоретичних досліджень характеристик узгодження для поодинокого випромінювача. Моделювання та оптимізація параметрів антен проведено за допомогою комерційного пакету Ansoft HFSS.

Результати. Проведено дослідження патч-антени у формі розімкнутого кільця. Отримано серію конструкцій антенних решіток з лінійною та круговою поляризацією 5.8 ГГц для застосування у системах передачі відеосигналу, наприклад, для реалізації режиму керування безпілотними апаратами від першої особи (FPV). Для живлення антенної решітки застосовано дільник потужності на основі чвертьхвильових трансформаторів. Показано, що коефіцієнт підсилення поодинокої патч-антени може перевищувати 10 дБ. Антенна решітка з 4 елементів, які знаходяться у вузлах прямокутної сітки, може мати коефіцієнт підсилення понад 16 дБ.

Висновки. Запропонований тип антен адаптовано для систем зв’язку, зокрема, передачі відеосигналу на частоті 5.8 ГГц. Разом із задовільними просторово-енергетичними характеристиками, запропоновані технічні рішення є простими і придатними для серійного виробництва.