ФИЗИКА ВОЛНОВЫХ ПРОЦЕССОВ И РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

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. Учет температуры, состава почвы, шероховатости поверхности и зависимость эффективной диэлектрической проницаемости от частоты позволяет более точно оценивать влажность почвы и другие важные параметры, что может быть использовано в различных областях, таких как сельское хозяйство, геология, экология и гидрология.

Цель. В данной работе проводится расчет отражения электромагнитной волны линейной поляризации от влажной почвы с учетом физических факторов: гетерогенности структуры почвы, шероховатости поверхности и дисперсии.

Методы. На основе гетерогенной математической модели влажной почвы, учитывающей дисперсию диэлектрической проницаемости воды и шероховатость поверхности, выводятся выражения для комплексных коэффициентов отражения электромагнитной волны вертикальной и горизонтальной поляризации.

Результаты. В качестве объекта исследования выбрана модель рыхлой влажной почвы со среднеквадратичным отклонением шероховатостей на поверхности. Проведен анализ частотных, угловых характеристик модулей коэффициентов отражения при фиксированном уровне влажности почвы.

Заключение. Полученные в результате расчетов данные являются ценным инструментом для дальнейшего улучшения методов дистанционного зондирования Земли и способствуют развитию новых технологий мониторинга почвенных параметров с использованием беспилотных летательных аппаратов, что открывает перспективы для более точного и эффективного анализа состояния земельных ресурсов и экосистем.

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.

Обоснование. Показана необходимость исследования влияния атмосферной турбулентности на спектральные характеристики радиосигнала.

Цель. Проведено изучение влияния атмосферной турбулентности на спектральную флуктуацию интенсивности радиосигнала и на смещение спектральных составляющих радиосигнала.

Методы. Исследования проведены на основе анализа связи двухволновых и одноволновых корреляционных соотношений. На основе решения дифференциального уравнения для флуктуаций эйконала амплитуды электромагнитной волны и использования выведенного тригонометрического соотношения получена связь между двухволновым Фурье-спектром и одноволновыми спектрами. При этом использован единый источник воздействия турбулентности на радиосигнал в точке координаты распространения радиоволны путем введения новой переменной, равной среднему значению координат воздействия турбулентности. Для нахождения возникающего двойного интеграла одна из координат воздействия преобразована в угловую переменную.

Результаты. Найдена зависимость относительного безразмерного среднего квадрата флуктуаций интегральной интенсивности радиосигнала от волнового числа турбулентных пульсаций атмосферы при различных смещениях спектральных длин волн радиосигнала.
Заключение. Показано, что турбулентность мало искажает спектральную информационную сущность распространяющегося радиосигнала в различных диапазонах длин волн.

Обоснование. Использование зеркально асимметричных химических соединений для легирования кварца позволяет создать метаматериал, который обладает свойством киральности. В подобной композиционной структуре возможно возникновение необычных эффектов при взаимодействии с оптической волной.

Цель. В данной работе проводится расчет прохождения и отражения линейно-поляризованной оптической волны через многослойную структуру, состоящую из двух легированных кварцевых стекол, разделенных двумя воздушными зазорами.

Методы. На основе гомогенной математической модели кирального метаматериала, учитывающей дисперсию диэлектрической проницаемости и параметра киральности на основе матричного метода, получена система линейных алгебраических уравнений для комплексных коэффициентов отражения и прохождения электромагнитной волны в линейной поляризации поляризации.

Результаты. Проведен анализ частотных и угловых характеристик модулей коэффициентов отражения и прохождения при различных значениях уровня легирования кварца. Теоретически предсказано, что на некоторых длинах волн большая часть падающей оптической энергии может быть сконцентрирована в воздушных зазорах многослойной структуры.

Заключение. Полученные в результате расчетов данные могут быть использованы при разработки планарных структур для частотно-селективной концентрации энергии видимого и инфракрасного спектра на основе кварцевых стекол, легированных киральными химическими соединениями.

Обоснование. Работа направлена на развитие и исследование строгих методов расчета тонкопроволочных структур со сложной формой образующей, имеющих малые волновые размеры, а также на исследование протекающих в них физических процессов. Частным случаем подобных структур является синусоидальная антенна, работающая в режиме стоячей волны тока.

Цель. В работе осуществляется решение внутренней и внешней задач электродинамики для синусоидальной антенны малых волновых размеров, расположенной над бесконечно протяженным идеальным рефлектором. Производится расчет токов на элементах структуры, определяются ее входное сопротивление и характеристики 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).

Результаты. Предложена математическая модель излучающей структуры, определены: входное сопротивление структуры и базовые характеристики ее излучения. Показано, что рабочий диапазон синусоидальной антенны в режиме стоячих волн определяется добротностью резонансов входного сопротивления; увеличение ширины синусоидального проводника ведет с снижению резонансных частот входного сопротивления с одновременным увеличением добротности резонансов.

Заключение. С практической точки зрения использование рассмотренной структуры позволяет существенно уменьшить габариты в сравнении с тонким электрическим вибратором, однако при этом будет соответствующим образом сужен рабочий диапазон, определяющийся, в силу слабой зависимости характеристик излучения от частоты, добротностью резонансов. Распределение тока на образующей структуры можно рассматривать как «проекцию» стоячей поверхностной волны, локализованной в плоскости синусоидального проводника и образующейся в результате суперпозиции прямой и обратной поверхностных (замедленных) волн, распространяющихся со скоростью, существенно меньшей скорости света. Для дальнейшего уточнения физики происходящих в структуре процессов следует использовать спектральный анализ токовых функций и исследование распределений электромагнитного поля в ближней зоне структуры.

Обоснование. Для развития новых терагерцовых систем беспроводной связи с высокой пропускной способностью и скоростью передачи, таких как 6G и выше, необходимо эффективное управление направлением поляризации излучаемых терагерцовых волн, однако большинство методов технологически сложные и дорогие. Реализация терагерцовых антенн и устройств на основе 2D-материалов, таких как графен, решает проблему, связанную с разработкой эффективного управления.

Цель. Исследование возможности управления поляризацией терагерцового и ИК-излучения плазмонных антенн на основе прямоугольных графеновых нанолент с помощью изменения химического потенциала (приложением внешнего электрического поля).

Методы. Эту важную научную проблему, связанную с проектированием терагерцовых антенн, во многом позволяет решить моделирование с помощью программы электродинамического моделирования CST MWS 2023.

Результаты. В качестве объекта анализа выбраны плазмонные терагерцовые антенны на основе прямоугольных графеновых нанолент и показана возможность излучения волн двух ортогональных поляризаций. Выявлены способы управления поляризацией терагерцового, ИК-излучения таких антенн, основанные на выборе рабочих частот, соответствующих резонансам мод поверхностных плазмон-поляритонов, и нанесении металлизации на диэлектрическую подложку.

Заключение. Возможность управления поляризацией терагерцового, ИК-излучения позволяет создавать как новые элементы плазмонных антенных решеток, так и новые коммуникационные технологии, в том числе будущих сетей 6G.