Статья: МОДЕЛИРОВАНИЕ ОТРАЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ВОЛНЫ ОТ ВЛАЖНОЙ ПОЧВЫ С УЧЕТОМ ДИСПЕРСИИ, ГЕТЕРОГЕННОСТИ И ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ (2024)

Обоснование. В настоящее время наблюдается интенсивное развитие радиолокационных систем дистанционного зондирования Земли, в том числе размещенных на беспилотных летательных аппаратах. Радиолокаторы с синтезированной апертурой являются эффективным средством круглосуточного и всепогодного наблюдения объектов на поверхности Земли. Радиолокаторы, работающие в VHF-диапазоне, позволяют наблюдать укрытые и подповерхностные объекты. Необходимость практической реализации радиолокатора с синтезированием апертуры VHF-диапазона частот на борту беспилотных летательных аппаратов требует дополнительного исследования пространственного разрешения радиолокаторов, учитывающего нестабильную траекторию носителя.

Цель. В статье рассматривается анализ влияния траектории полета и ошибок ее измерения на качество радиолокационного изображения.

Методы. Метод исследования предусматривает анализ формы функции неопределенности радиолокатора с синтезированием апертуры, которая была построена по реальной траектории с помощью полунатурного математического моделирования.

Результаты. В результате проведенного исследования показано, что на качество радиолокационных изображений оказывают влияние не только ошибки знания параметров движения, но и сам характер движения носителя, длительность полета.

Заключение. На основе результатов натурных испытаний оказалось возможным проанализировать эти факторы и определить требования к навигационной системе БПЛА. Таким образом, в статье показана возможность контроля качества радиолокатора с синтезированием апертуры VHF-диапазона, размещенного на борту БПЛА.

Обоснование. В настоящее время в связи с проведением специальной военной операции очень актуальным является вопрос наличия недорогих мобильных терминалов высокоскоростной спутниковой связи отечественного производства, а также в связи с большой протяженностью территорий нашей страны существует ряд областей, где сотовая связь отсутствует, например тайга, Арктика, территория Северного Ледовитого океана и т. д. Поэтому единственная возможная связь на этих территориях - это спутниковая связь.

Цель. Разработка линейной эквидистантной антенной решетки с равноамплитудным и синфазным возбуждением для мобильного терминала спутниковой связи.

Методы. Антенная решетка проектировалась из открытых концов волноводов сечением 19 × 11 мм с воздушным заполнением. Соседние пары излучающих волноводов запитывались с помощью Е-плоскостного делителя: волновод разделен пополам по высоте тонкой металлической диафрагмой, отражения волн от которой незначительны; далее, в каждой половине делителя мощности реализованы разнесенные по высоте повороты направо и налево и плавные переходы в Е-плоскости - расширение от 5,25 мм до 11 мм.

Результаты. Разработана антенная решетка с периодом 19,5 мм. Габаритные размеры: ширина раскрыва - 624 мм, высота - 12 мм, глубина - 118 мм. Особенностью конструкции антенной решетки является использование плавных несимметричных переходов в Е-плоскости по экспоненциальному закону; в раскрыве ФАР чередуются с периодом, равным 4 значениям ширины волноводов с учетом ширины их узких стенок, волноводные несимметричные рупоры, расширяющиеся в верхнем (2 соседних излучателя) и нижнем (следующие 2 излучателя) направлениях.

Заключение. Достоинством использования подхода к построению линейных антенных решеток, питаемых с помощью многоканальных делителей мощности, является возможность минимизации глубины антенной системы. Основными недостатками - конструктивная и технологическая сложность делителей мощности и существенные потери мощности при большом числе каналов. Возможные технологии изготовления разработанной ФАР: 1. Штамповка из полистирола внутренней части делителя мощности и излучателей. Далее - полировка, напыление меди и гальваническое покрытие слоем меди. 2. Печать на 3D-принтере из полистирола, полировка, напыление меди и гальваническое покрытие меди. 3. Изготовление делителя мощности с использованием SIW-технологии на базе стандартных СВЧ-ламинатов. Использование металлизированных сквозных отверстий для согласования делителей мощности. Антенные элементы и коаксиально-волноводные переходы изготавливаются путем штамповки из полистирола, или печати на 3D-принтере из полистирола, далее - полировка, напыление слоя меди и гальваническое покрытие слоем меди. 4. Штамповка из металла делителя мощности, излучателей и коаксиально-волноводных переходов (2 детали). Диэлектрический вкладыш может печататься на 3D-принтере из полистирола.

Обоснование. Для позиционирования беспилотных летательных аппаратов обычно используются различные датчики и система глобальной спутниковой навигации GNSS. Однако в случае кратковременного пропадания сигнала, а также повышения точности позиционирования применяются дополнительные методы оценки координат.

Цель. Анализ методов позиционирования беспилотных летательных аппаратов, основанных на оценке дальностей до базовых станций.

Методы. Использован метод численного моделирования в сценарии Uma.

Результаты. В статье рассмотрены методы оценки координат беспилотного летательного аппарата, основанные на оценке дальностей до базовых станций. Методом математического моделирования исследована точность оценки местоположения и вычислительная сложность алгоритмов позиционирования объектов в сценарии плотной городской застройки при различном числе базовых станций.

Заключение. Результаты анализа показывают, что в сценарии Uma стандартное отклонение ошибки оценки координат составляет приблизительно 1 м.

Обоснование. Обработка изображений используется в измерительных системах технического зрения, которые широко распространены в промышленной сфере. Одной из актуальных задач при обработке является совмещение изображения. Методы совмещения должны выполнять два основных требования: удовлетворительное качество совмещения и приемлемое для практики время обработки. Одним из методов, соответствующим этим требованиям, является итерационное совмещение.

Цель. Исследование размера области (рабочей зоны) для значений параметров первоначального приближения, которое обеспечивает удовлетворительное совмещение. Размер области определяет быстродействие итерационного алгоритма.

Методы. Определение размера рабочей зоны проводилось экспериментальным путем: корреляционным анализом и статистическим способом.

Результаты. Эксперименты показали, что при использовании шага прореживания, не превышающего 1/10 от размеров совмещаемого фрагмента изображения, вероятность корректного совмещения практически равняется единице. При превышении этого порога вероятность уменьшается.

Заключение. Установлен размер рабочей зоны итерационного метода совмещения изображений. На основании полученных результатов можно проводить проектирование алгоритмов обработки и прогнозировать время обработки. Метод совмещения был внедрен в систему технического зрения для распознавания фиксаторов контактных проводов на железной дороге, совмещение изображений в этой системе проводится в режиме реального времени.

Обоснование. Актуальность темы данной работы обусловлена необходимостью повышения достоверности и качества оценки устойчивости бортовой радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов к электростатическим разрядам.

Цель. Исследование возможностей использования электронного потока в вакууме в качестве испытательного воздействия на бортовую радиоэлектронную аппаратуру космических аппаратов при оценке ее стойкости к электростатическим разрядам.

Методы. Натурный эксперимент, исследовательские лабораторные испытания, моделирование, макетирование, экспертные оценки. В статье рассмотрены условия существования электронного потока в режимах «электронный прожектор» и «сканирование». В качестве объекта испытаний был применен макет радиоэлектронного устройства, который ранее использовался для испытания в атмосфере воздуха. Он был конструктивно доработан с учетом размеров, схемы подключения, оснастки и электрофизических характеристик вакуумной камеры. Доработанный макет представляет собой модуль первого уровня с расположенными внутри корпуса антеннами. В ходе эксперимента использовались измеритель вакуума, киловольтметр, цифровой осциллограф с полосой пропускания 500 МГц, высоковольтный кабель, двухпроводная линия, гермоплита, электронная пушка. Требуемый вакуум создавали с помощью системы автоматизированной откачки.

Результаты. Экспериментально установлены условия существования электронного потока в вакуумной камере с давлением до 10-7 мм рт. ст. Получены результаты исследовательских испытаний радиоэлектронного модуля в режимах «электронный прожектор» и «сканирование». Исследованы основные виды помех от действия электростатических разрядов. Проведен анализ осциллограмм. На основе этих результатов разработана методика испытаний бортовой аппаратуры космических аппаратов на воздействие электростатических разрядов. Предложенная методика обеспечивает проведение испытаний при уровне рабочего разрядного тока до 30 мкА с энергией частиц от 5 до 50 кэВ.

Заключение. Методика испытаний и средств ее реализации соответствует основным требованиям ГОСТ «Устойчивость к электростатическим разрядам» и может быть использована при наземных испытаниях бортовой аппаратуры КА при четырех степенях их жесткости.

Обоснование. Наличие возможности аналитического определения части параметров различных радиоустройств, оптимальных по критерию обеспечения заданных значений модулей и фаз передаточных функций на необходимом количестве частот, значительно уменьшает время численной оптимизации остальной части параметров по критерию формирования требуемых АЧХ и ФЧХ в полосе частот. До настоящего времени такие задачи решались в отношении радиоустройств только с одним каскадом типа «нелинейная часть - согласующее устройство» или «согласующее устройство - нелинейная часть». В качестве согласующего устройства использовались реактивные, резистивные, комплексные или смешанные четырехполюсники. Решена также задача многокаскадных радиоустройств с реактивными четырехполюсниками. Изменение базиса для согласующих четырехполюсников и места включения нелинейной части приводит к изменению области физической реализуемости.

Цель. Разработка алгоритмов параметрического синтеза радиоустройств с произвольным количеством одинаковых и неодинаковых каскадов типа «нелинейная часть - согласующий резистивный четырехполюсник» по критерию обеспечения заданных частотных характеристик. Нелинейные части представлены в виде нелинейного элемента и параллельной или последовательной по току или напряжению обратной связи.

Методы. Теория четырехполюсников, матричная алгебра, метод декомпозиции, метод синтеза управляющих устройств СВЧ, численные методы оптимизации.

Результаты. В интересах достижения указанной цели сформированы и решены системы алгебраических уравнений. Получены модели оптимальных резистивных четырехполюсников в виде математических выражений для определения взаимосвязей между элементами их классической матрицы передачи и для отыскания зависимостей сопротивлений двухполюсников от частоты. Показано, что при определенных соотношениях между количеством одинаковых каскадов и значениями сопротивлений источника сигнала и нагрузки однокаскадного радиоустройства частотные характеристики однокаскадного и многокаскадного радиоустройств оказываются идентичными или подобными. Такие схемы названы эквивалентными. Использование неодинаковых каскадов приводит к значительному увеличению рабочей полосы частот.

Заключение. Сравнительный анализ теоретических результатов (АЧХ- и ФЧХ-радиоустройств, значения параметров), полученных путем математического моделирования в системе MathCad, и экспериментальных результатов, полученных путем схемотехнического моделирования в системах OrCad и MicroCap, показывает их удовлетворительное совпадение.

Обоснование. Визуальный неразрушающий контроль внутренней поверхности труб является важным аспектом при их производстве и эксплуатации. Вовремя обнаруженный и устраненный дефект может существенно сократить количество брака при производстве и предотвратить различные чрезвычайные происшествия при эксплуатации. Формирование полного панорамного изображения внутренней поверхности труб, пригодных для анализа качества, является актуальной и востребованной задачей, которая может быть решена с помощью систем компьютерного зрения.

Цель. Исследование и разработка телевизионных методов формирования полного панорамного изображения внутренней поверхности трубы, которое можно анализировать для поиска дефектов.

Методы. Для формирования цилиндрического панорамного изображения использованы математические модели формирования эквидистантной проекции сферических изображений, полученных с помощью объектива Fisheye. Для качественной сшивки полученных кадров использовались методы цифровой обработки изображений, включающие преобразования яркости и контраста, поиск особых точек алгоритмом MSER. Теоретические результаты проверены методом натурного моделирования.

Результаты. Результатом данной работы является алгоритм сшивки кадров видеопоследовательности, сформированной телевизионной камерой с оптической системой типа Fisheye, равномерно перемещаемой вдоль продольной оси трубы, в единое панорамное изображение внутренней поверхности.

Заключение. Алгоритм обеспечивает формирование качественного изображения полной панорамы внутренней поверхности труб с отсутствием яркостных артефактов.

Обоснование. Генерация волны с удвоенным обращенным волновым фронтом в многомодовых волноводах повышает эффективность шестиволновых преобразователей излучения, расширяет возможности их использования в задачах адаптивной оптики, преобразования сложных пространственно неоднородных волн.

Цель. Проанализировано качество удвоенного обращения волнового фронта при шестиволновом взаимодействии в волноводе с бесконечно проводящими поверхностями с керровской нелинейностью при отношении волновых чисел волн накачки, равном 2 и 0,5, и условии, что одна из волн накачки возбуждает нулевую моду волновода, а распределение амплитуды другой волны накачки на грани волновода описывается гауссовой функцией.

Методы. Численными методами изучено влияние параметров волн накачки на полуширину и контраст модуля амплитуды объектной волны. В качестве сигнальной использована волна от точечного источника, расположенного на передней грани волновода.

Результаты. Получены зависимости полуширины и контраста модуля амплитуды объектной волны от соотношения между шириной волновода и шириной гауссовой волны накачки.
Заключение. Показано, что максимальное изменение характеристик волны с удвоенным обращенным волновым фронтом наблюдает

Обоснование. Показана необходимость исследования влияния физических характеристик атмосферы, в частности ветра, на атмосферную турбулентность и, следовательно, на характеристики радиосигнала.

Цель. Найдена зависимость временной спектральной функции потока энергии радиосигнала от скорости ветра в тропосфере в плоскости антенны.

Методы. Разработан метод перехода от декартовой системы координат в плоскости антенны к полярной системе координат волновых чисел. На основе этого метода прослежена связь между Фурье спектральной функцией корреляционного момента и представлением функции Бесселя. Для Фурье спектральной функции корреляционного момента использовано ранее полученное решение дифференциального уравнения для флуктуаций амплитуды эйконала электромагнитной волны в турбулентной атмосфере на фронте электромагнитной волны на координате приемной антенны. С помощью обратного преобразования Фурье найдена связь между временной спектральной функцией потока энергии радиосигнала и временной корреляционной функцией этого потока.

Результаты. На основе исследования временной корреляционной функции потока энергии радиосигнала выявлена ее связь с двухточечным корреляционным моментом, характеризующим флуктуации амплитуды эйконала радиосигнала. Для анализа влияния ветра применена модель турбулентности, отражающая инерционную область турбулентности, в которой поток энергии от более крупных турбулентных вихрей к более мелким вихрям определяется вязкой диссипацией самых мелких вихрей.

Заключение. Численный расчет показал, что ветер в плоскости антенны сдувает турбулентные вихри в этой плоскости, улучшая качество принимаемого радиосигнала.

Обоснование. Работа направлена на развитие и исследование строгих методов расчета многоэлементных излучающих и переизлучающих структур, состоящих преимущественно из однотипных элементов, а также на исследование протекающих в них физических процессов. Предлагается итерационный подход к решению внутренней задачи, позволяющий минимизировать затраты машинного времени и машинной памяти.

Цель. В работе с привлечением предлагаемого подхода проводится решение внутренней и внешней задач электродинамики для симметричного вибратора с рефлектором из параллельных прямолинейных проводников. Исследуется сходимость итерационного процесса, осуществляется расчет токов на элементах структуры, ее входного сопротивления и характеристик излучения.

Методы. В основе исследований лежит строгий электродинамический подход, в рамках которого для указанной структуры в тонкопроволочном приближении формируется интегральное представление электромагнитного поля, сводящееся при рассмотрении на поверхности проводников совместно с граничными условиями к системе интегральных уравнений Фредгольма второго рода, записанных относительно неизвестных распределений тока на проводниках (внутренняя задача). Решение внутренней задачи в рамках метода моментов сводится к решению СЛАУ с блочной матрицей.

Результаты. Предложена математическая модель излучающей структуры, представляющей собой симметричный вибратор с рефлектором из параллельных прямолинейных проводников. Сформулированы и решены для заданных значений параметров внутренняя и внешняя задачи электродинамики. Предложен эффективный алгоритм расчета блочной матрицы СЛАУ. Даны рекомендации по выбору систем проекционных функций в рамках метода моментов. Исследована сходимость итерационного процесса решения внутренней задачи электродинамики. Определены входное сопротивление структуры и базовые характеристики ее излучения.

Заключение. Рациональный выбор систем проекционных функций, опирающийся на свойства структуры и входящих в ее состав элементов, позволяет существенно уменьшить размер матрицы СЛАУ и, соответственно, сократить вычислительные затраты. Учет свойств структуры и образующих ее элементов также позволяет строить эффективные алгоритмы расчета матрицы СЛАУ. Показано, что сходимость итерационного процесса может отсутствовать вблизи резонансных частот, поэтому при решении внутренней задачи следует использовать комбинированный подход, предполагающий использование как строгих, так и приближенных методов решения СЛАУ. На нерезонансных частотах итерационный подход демонстрирует свою эффективность. Сделан вывод, что для подобных структур целесообразно выделение резонансных и нерезонансных режимов работы. В нерезонансном режиме токовые функции имеют относительно плавную зависимость от частоты, в резонансном режиме данные зависимости становятся довольно резкими и труднопрогнозируемыми. В этой связи актуальной представляется задача разработки итерационого подхода к решению внутренней задачи электродинамики в резонансных режимах работы.