Інститут радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова

КУЛИК ВОЛОДИМИР ВАСИЛЬОВИЧ

УДК 621.385.6: 621.396.96

Автодинний ефект в НВЧ генераторах хаотичних коливань

01.04.03 — радіофізика

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Харків — 2005

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті радіофізики та електроніки ім. О.Я.Усикова

Національної академії наук України

Науковий керівник:

доктор фізико-математичних наук, професор Лукін Костянтин Олександрович,

Інститут радіофізики та електроніки ім. О.Я.Усикова Національної академії наук України (м. Харків), завідувач відділу нелінійної динаміки електронних систем.

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, професор Оніщенко Іван Миколайович,

Інститут плазмової електроніки та нових методів прискорювання ННЦ “Харківський фізико-технічний інститут” Національної академії наук України (м. Харків), заступник директора з наукової роботи

кандидат фізико-математичних наук, старший науковий співробітник

Єрмак Геннадій Павлович, Інститут радіофізики та електроніки ім. О.Я.Усикова

Національної академії наук України (м. Харків), старший науковий співробітник відділу теорії дифракції та дифракційної електроніки.

Провідна установа:

Харківський національний університет радіоелектроніки Міністерства освіти і науки України, кафедра фізичних основ електронної техніки.

Захист відбудеться 7 липня 2005 р. о 16 годині 30 хвилин на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.157.01 Інституту радіофізики та електроніки ім. О.Я.Усикова НАН України за адресою: 61085, м. Харків, вул. Ак. Проскури, 12.

З дисертацією можна ознайомитися у науковій бібліотеці Інституту радіофізики та електроніки ім. О.Я.Усикова НАН України за адресою: 61085, м. Харків, вул. Ак. Проскури, 12.

Автореферат розісланий 2 червня 2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради О.Я.Кириченко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Автодинний ефект в автогенераторі полягає в зміні його параметрів під дією власного відбитого сигналу. Ці зміни називаються автодинним відгуком. Розрізняють два види реєстрації автодинного відгуку: внутрішнє та зовнішнє детектування. При внутрішньому детектуванні визначаються коливання напруги або струму в колах живлення генератора, які в основному знаходяться у низькочастотному діапазоні. При зовнішньому детектуванні визначаються зміни у частотному спектрі сигналу або його потужності. При цьому вимірювання потребують значно складнішого обладнання, але чутливість пристрою вища.

Автодинний ефект досить добре вивчений у генераторах монохроматичних коливань, таких як клістрони, лампи зворотної хвилі, генератори дифракційного випромінювання, НВЧ генератори на діодах Гана, ЛПД та ін.

Автодинні генератори знаходять досить широке застосування, що визначається наявністю таких переваг, як малі габарити, мала вага, простота конструкції й у деяких випадках обробки інформаційного сигналу і т.п. Це є наслідком того, що в автодинному генераторі поєднуються в одному пристрої генератор, передавач і приймач, а, іноді, і конвертор. Але автодинні генератори мають не тільки наведені переваги, а й деякі недоліки. Наприклад, при зовнішньому детектуванні можуть спостерігатися досить значні спотворення сигналу, що суттєво ускладнює обробку автодинного відгуку. Крім цього, суміщення трактів передачі та прийому зменшує можливості проведення роздільної обробки випромінюваного та відбитого сигналів. Ці та інші причини призводять до обмеження застосування автодинних генераторів. Але, за певних обставин застосування автодинних генераторів дає значні переваги. В автодинних генераторах досить малий відбитий сигнал може викликати значні зміни в параметрах генератора. При зміні відстані до відбивача з періодом рівним пів довжини хвилі періодично змінюються потужність та частота випромінюваного сигналу, а також напруга або струм в колах живлення. Використання цих властивостей дозволяє створювати ефективні вимірювачі швидкості.

Однак, системи на основі генераторів монохроматичних коливань не дозволяють оцінити відстань до відбиваючого об'єкту. З метою вимірювання відстані використовують багаточастотні автодинні системи. Досить детально вивчені двохчастотні автодинні генератори. У цих генераторах змінюється кожна з двох частот а також проходить перекачка енергії з однієї частоти до іншої. Внаслідок цього з’являється можливість вимірювання відстаней. Іншим напрямком розширення можливостей автодинних генераторів є застосування модуляції. В цьому випадку частотний спектр генератора набуває дискретного характеру, але при вимірюванні частотних складових та їх рівнів можна значно розширити діапазон однозначності вимірювання. При цьому ускладнюється обладнання й обробка сигналу, але точність може бути істотно підвищена.

В останні роки спостерігається значний інтерес до шумової радіолокації*, 2*]. При розвитку шумової радіолокації в ІРЕ НАН України були розроблені автогенератори хаотичних коливань мікрохвильового і міліметрового діапазонів. Вивчення впливу відбитого сигналу на вихідні характеристики генераторів хаотичних коливань привело до передбачення та виявлення автодинного ефекту у таких генераторах [3*], причому цей ефект суттєво відрізняється від подібного ефекту у генераторах монохроматичних коливань. Він полягає у появі періодичної модуляції частотного спектру вихідного сигналу генератора при наявності навіть нерухомого відбивача на відстані більшій за довжину когерентності сигналу, що генерується. Період цієї модуляції обернено пропорційний відстані до відбивача. Коли відбивач повільно рухається, кожна спектральна компонента вихідного сигналу коливається з Допплерівською частотою. Таким чином, автодинний ефект у генераторі хаотичних коливань дозволяє вимірювати одночасно відстань до відбивача та його швидкість. При цьому не відбувається значна зміна потужності випромінюваного сигналу. Але цей ефект був не достатньо досліджений. Зокрема, не було вивчено, як змінюється частотний спектр генератора хаотичних коливань зі зміною відстані та рівня відбитого сигналу, не побудована його теорія, а також не визначені можливості його застосування в наукових та господарських цілях.

Дисертаційна робота присвячена дослідженню автодинного ефекту в генераторі хаотичних коливань з метою вивчення його особливостей та можливостей практичного втілення при розробці генераторів хаотичних коливань та прецизійних вимірювачах відстані.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

В основу дисертації покладені результати, одержані при виконанні планових робіт, що здійснювалися автором у рамках нижче перерахованих науково-дослідних робіт:

"Розроблення нових методів хаотизації нелінійних електронних систем з метою вивчення можливості побудови широкосмугових генераторів стохастичних коливань та їх використання в радіотехнічних системах" (шифр “Триплет”, номер держреєстрації 0194И031133) – Національна академія наук України, Інститут радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова, 1993 – 1995 рр.

“Динамічний хаос в радіофізичних і електронних системах з нелінійним перетворенням хвиль на межах і його використання” (шифр “Контакт”, номер держреєстрації 01.96.U.006107) – Національна академія наук України, Інститут радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова, 1995 – 2000 рр.

“Електродинаміка відкритих структур, розробка джерел та радіосистем, в тому числі шумових, міліметрового та субміліметрового діапазонів” (шифр “Старт”, номер держреєстрації 0100U006442, Національна академія наук України, Інститут радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова, 2001 – 2003 рр.) (Усі роботи затверджені Постановою Президії Академії наук України. В усіх перелічених темах дисертант був виконавцем)

та проекту УНТЦ №1232 “Новий мікрохвильовий метод точного дистанційного вимірювання відстаней та технологічних проміжків” – 1999_ рр.

Усі роботи виконувались у відділі нелінійної динаміки електронних систем ІРЕ НАН України.

Мета і задачі дослідження.

Метою досліджень є виявлення і з'ясування закономірностей, що мають місце при впливі на генератор хаотичних коливань свого власного випромінювання, затриманого на час порядку або більший часу когерентності сигналу, що генерується (автодинний ефект у НВЧ генераторах хаотичних коливань) і пошук можливостей його застосування.

Для досягнення поставленої мети були виконані наступні роботи:

- розроблено генератори хаотичних коливань;

- проведено експериментальне дослідження автодинного ефекту при розташуванні відбивача на різних відстанях від генератора і при різних рівнях відбитого сигналу;

- розроблено феноменологічну теорію автодинного ефекту у НВЧ генераторах хаотичних коливань

- розроблено методи керування частотним спектром вихідного сигналу генератора хаотичних коливань;

- розроблено метод модифікованої подвійної спектральної обробки відбитих випадкових сигналів;

- проведено комп’ютерне моделювання процесу вимірювання відстані;

- проведено експериментальну перевірку можливості використання методу модифікованої подвійної спектральної обробки для прецизійного вимірювання відстані,

- обґрунтовано використання автодинного ефекту в генераторах хаотичних коливань для прецизійного вимірювання відстані.

Методу модифікованої спектральної обробки приділено велику увагу, тому що він доповнює набір методів, що дозволяють вирішувати нагальну потребу — проведення вимірювань відстані однозначно і з високою точністю.

Об'єкт дослідження — НВЧ генератори хаотичних коливань (слабо-резонансна лампа зворотної хвилі, генератори на діодах Ганна і ЛПД).

Предмет дослідження — автодинний ефект у генераторах хаотичних коливань і можливість його використання при розробці генераторів хаотичних коливань та для однозначного прецизійного вимірювання відстані.

Методи дослідження. При проведенні експериментальних досліджень використовувалися добре відомі перевірені методи. При дослідженнях використовувались методи кореляційно-спектрального аналізу. Основним вимірюваним параметром був частотний спектр вихідного сигналу генератора хаотичних коливань, який вимірювався аналізатором спектру С4-60, а також шляхом реєстрації власне сигналу, з подальшим обчисленням за допомогою перетворення Фур`є. Такий спосіб одержання частотного спектру сигналу дає значно більшу точність і завдяки цій обставині ми маємо можливість проводити тонкі оцінки частотного спектру в прецизійному вимірювачі відстаней. При обробці сигналу широко використовувався метод найменших квадратів. Рівні сигналу вимірювалися ватметрами і вимірювальними поляризаційними атенюаторами, а також шляхом обчислення після аналогово-цифрового перетворення сигналу. У роботі використовувалося моделювання і проводилося порівняння результатів експерименту, моделювання і теорії.

Наукова новизна одержаних результатів.

У даній роботі розв’язано задачу дослідження автодинних генераторів хаотичних коливань при розташуванні відбивача на відстані, яка перевищує довжину когерентності сигналу і вивчено можливість застосування отриманих результатів для проведення вимірювання відстаней і фаз, а також можливості коригування частотного спектру вихідного сигналу генератора хаотичних коливань за допомогою ліній затримки

Для розв’язку поставленої задачі на основі наявних та розроблених генераторів хаотичних коливань проведено експериментальні дослідження автодинного ефекту; зокрема, показано, що коефіцієнт модуляції спектра вихідного сигналу генератора за певних умов росте зі збільшенням відстані, незважаючи на деяке зниження рівня відбитого сигналу.

Запропоновано феноменологічну теорію автодинного ефекту в генераторі хаотичних коливань. Суть її полягає в заміні реального генератора хаотичних коливань набором незалежних генераторів монохроматичних коливань, потужність яких визначається величинами відповідних спектральних компонент. Для кожного такого генератора визначається зсув частоти та зміна потужності відповідно до теорії автодинних генераторів монохроматичних коливань. Потім потужності генераторів складаються у відповідних частотних інтервалах. Такий підхід дозволив пояснити всі основні закономірності, що спостерігаються.

Показано, що глибина модуляції вихідного спектру генератора хаотичних сигналів при наявності відбивача визначається відношенням амплітуди автодинного зсуву частотних компонент до частотного періоду модуляції.

Розроблено і випробувано метод модифікованої подвійної спектральної обробки шумових сигналів, застосування якого дозволяє за рахунок вимірювання положень екстремумів модуляції у частотному спектрі сумарного сигналу підвищити точність вимірювання відстані порівняно з методом подвійної спектральної обробки випадкових сигналів. Причому, у діапазоні вимірюваних відстаней точність вимірювання підвищується пропорційно відношенню вимірюваної відстані до довжини хвилі використовуваного сигналу і відповідає точності монохроматичних інтерферометрів.

Запропоновано метод прецизійного вимірювання відстані з використанням методу модифікованої подвійної спектральної обробки і розробленої феноменологічної теорії автодинного ефекту в генераторі хаотичних коливань.

Запропоновано і розроблено методи корекції частотного спектру вихідного сигналу генератора хаотичних коливань з використанням автодинного ефекту, а також за допомогою складання його частин з різними затримками на виході коригувального пристрою.

Практичне значення одержаних результатів.

Практичне значення роботи полягає в наступному: —

в результаті проведених експериментальних досліджень автодинного ефекту у СВЧ генераторі хаотичних коливань виявлена невідома раніше закономірність, що при фіксованому рівні відбитого сигналу коефіцієнт модуляції зростає при збільшенні відстані, для з’ясування природи виявленої закономірності побудовано феноменологічну теорію автодинного ефекту, за допомогою феноменологічної теорії показано, що глибина модуляції частотного спектру вихідного сигналу генератора хаотичних коливань пропорційна відношенню величини автодинного зсуву частоти до періоду модуляції при його зміні від 0 до близько 0,16, що може бути використано для практичного втілення при розробці генераторів хаотичних коливань, зокрема, з використанням методів корекції частотного спектру генератора хаотичних коливань,— 

для практичного втілення одержаних результатів розроблено метод модифікованої подвійної спектральної обробки випадкових сигналів, який був застосований при моделюванні прецизійного вимірювача відстані, що показало можливість визначати однозначну величину відстані в межах 20-100 м з похибкою 1 мкм.

Результати проведених досліджень можуть бути використані при розробці генераторів хаотичних коливань, далекомірів, фазометрів, вимірювачів параметрів радіотехнічних пристроїв і т.д.

Особистий внесок здобувача в опубліковані роботи полягає в тому, що він—

розробив генератори хаотичних коливань;— 

виявив ефект, що в НВЧ генераторі хаотичних коливань за певних умов (в діапазоні зміни відстані від 2 до 30 м) рівень відбитого сигналу потрібний для одержання тієї ж глибини модуляції зменшується при збільшенні відстані до відбивача;— 

розробив феноменологічну теорію автодинного ефекту у НВЧ генераторах хаотичних коливань;— 

провів моделювання роботи автодинного генератора хаотичних коливань і встановив. що глибина модуляції частотного спектру вихідного сигналу визначається відношенням амплітуди автодинного зсуву частоти спектральних компонент до частотного періоду модуляції;—

модифікував метод подвійної спектральної обробки випадкових сигналів і провів його експериментальну перевірку, а також показав можливості застосування отриманих результатів на практиці;— 

провів моделювання роботи шумового мікрохвильового вимірювача відстані.

Апробація результатів дисертації. Результати роботи з теми дисертації доповідалися й обговорювалися на семінарах у ІРЕ НАН України: "Фізика й електроніка міліметрових і субміліметрових хвиль", "Поширення радіохвиль і методи дистанційного зондування" і конференціях:

Іnt. Symposіum "Physіcs and Engіneerіng of Mіllіmeter and Submіllіmeter Waves". – 1994. – Kharkov. - Ukraіne.

Міжнародна конференця "Метрологія і вимірювальна техніка". – 1999. – Харків. - Україна.

4th Іnternatіonal Kharkov Symposіum "Physіcs and Engіneerіng of Mіllіmeter and Submіllіmeter Waves". – 2001. – Kharkov. - Ukraіne.

The Fіrst Іnt. Workshop on the Noіse Radar Technology. – 2002. – Yalta. - Ukraіne.

Іnternatіonal Conference on the Noіse Radar Technology. – 2003. – Kharkov. Ukraіne.

Публікації.

Основні результати дисертації опубліковані в 6 статтях і 5 працях перерахованих вище конференцій. Усього по темі дисертації опубліковано 11 робіт.

Структура і обсяг дисертації.

Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновку і списку використаних літературних джерел. Повний обсяг дисертації складає 148 сторінок, з них    сторінок — список використаних джерел (102 найменування).

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність обраної теми, сформульовано мету і задачі досліджень та наведено загальну характеристику роботи.

Розділ 1 присвячено огляду літератури за темою дисертації. Перша частина огляду присвячена автодинним генераторам взагалі й автодинним генераторам хаотичних коливань, зокрема. Розглянуто переваги таких генераторів та вказані галузі їх застосування. Крім цього, наведено посилання на літературу, у якій описано специфічні можливості, що мають місце при застосуванні генераторів хаотичних коливань. Друга частина огляду присвячена працям, в яких описані методи вимірювання відстані радіофізичними методами.

Розділ 2 містить інформацію про предмет дослідження - генератори хаотичних коливань, розроблені при проведенні даної роботи, показані принципи їх роботи та наведені їхні параметри.

Основний матеріал міститься в розділі 3.

Тут наведені результати дослідження автодинного ефекту в генераторах на слабо-резонансній лампі зворотної хвилі і генераторах на діоді Ганна. Для проведення експериментів як для вимірювань в 3-см, так і в 8-ми міліметровому діапазонах довжин хвиль використовувалась експериментальна установка показана на рис.1.

Рис.1. Блок-схема експериментальної установки.

Основними елементами установки є генератор хаотичних коливань (ГХК), хвилеводна лінія передачі, поляризаційний атенюатор (Ат.) та короткозамикаючий поршень (КЗ). Таким чином, можна незалежно змінювати рівень відбитого сигналу та його фазу. Для вимірювання використовувались вимірювач потужності (М3-51 або М3-53) та аналізатор спектру С4-60.

В автодинних системах одним з головних елементів є затримка сигналу. В експериментах затримка сигналу (l) створювалася хвилеводною лінією передачі, довжина якої становила від 2 до 30 метрів і значно перевищувала довжину когерентності досліджуваного сигналу. Крім цього, в межах півтори довжини хвилі з похибкою 0,01 мм можна змінювати відстань за допомогою вимірювального короткозамикаючого поршня. При цьому змінюються затухання відбитого сигналу (як за рахунок затухання в хвилеводі, так і за допомогою поляризаційного атенюатора) і його фаза (за рахунок зміни відстані l).

Частотний спектр вихідного сигналу генератора хаотичних коливань під дією відбитого сигналу набував вигляду, показаному на рис. . Можна зазначити, що характерною властивістю для цього спектру є гострі максимуми, величина яких може в кілька разів перевищувати рівень сигналу генератора (до 15 дБ) на тих же частотах за відсутності відбитого сигналу. Спектр має періодичну по частоті модуляцію, що дозволяє однозначно визначити відстань до відбивача за формулою (за відсутності дисперсії) [3*] , де — швидкість розповсюдження сигналу, а  — період модуляції.

Рис. 2. Частотний спектр вихідного сигналу генератора хаотичних коливань, що знаходиться під дією відбитого сигналу.

В роботі проведено експериментальне дослідження залежності параметрів модуляції спектру від коефіцієнту відбиття та відстані до відбивача. До даних досліджень було відомо, що спектр вихідного сигналу генератора хаотичних коливань за певних умов має періодичну модуляцію. Під час проведення експериментів установлено, що глибина модуляції росте не тільки із збільшенням амплітуди відбитого сигналу, а й із зростанням відстані. Результати експериментів, що проведені в 8-ми міліметровому діапазоні довжин хвиль наведені на рис.3. В даному частотному діапазоні затухання сигналу в хвилеводі відіграє позитивну роль, так як поляризаційний атенюатор при цьому використовується в межах його найбільшої точності. Цей результат підтверджено вимірюванням залежності рівня відбитого сигналу, необхідного для отримання того ж самого коефіцієнта модуляції при зміні відстані до відбивача проведеного в 3-см діапазоні довжин хвиль.

Рис. 3. Залежність коефіцієнта модуляції від відносного рівня відбитого сигналу при різних відстанях до короткозамикаючого поршня.

Для пояснення ефекту збільшення глибини модуляції із зростанням відстані до відбивача побудована феноменологічна теорія автодинного ефекту. В її основу покладено припущення, що реальний генератор хаотичних коливань замінюється набором великої кількості незалежних генераторів монохроматичних коливань. До кожного такого генератора застосовується теорія автодинних генераторів монохроматичних коливань. Як показали дослідження, потужності випромінюваного сигналу при роботі використовуваних автодинних генераторів в режимі монохроматичних коливань змінюються мало. Залежність автодинного зсуву частоти для кожного генератора в спрощеному вигляді можна записати в вигляді синусоїди (f—частота генератора, F—амплітуда автодинного зсуву частоти). Максимуми спостерігаються при переході даної залежності від додатних значень до від’ємних. Після відповідного автодинного зсуву по частоті та зміни потужності кожного генератора їх потужності складуються. Таким чином, відбувається перегрупування спектральних компонентів автодинного генератора хаотичних коливань. Уточнену залежність автодинного зсуву частоти можна визначити з трансцендентного рівняння, але це мало впливає на результат.

По вищенаведеному алгоритму проведено моделювання.

В результаті розраховані спектри сигналів автодинного генератора хаотичних коливань по формі подібні до отриманих в експерименті. При цьому встановлено, що глибина модуляції спектру вихідного сигналу генератора хаотичних коливань визначається відношенням амплітуди автодинного зсуву частоти спектральних компонент до періоду модуляції спектру. Ця залежність наведена на рис.4.

Рис.4. Залежність коефіцієнта модуляції від відношення амплітуди автодинного зсуву частоти спектральних компонент до періоду модуляції.

Відхилення від нуля при пов’язане з тим, що в хаотичному сигналі майже завжди є флуктуації. Верхня межа при визначається тим, що похідна залежності автодинного зсуву частоти стає по модулю більшою за одиницю, внаслідок чого зсунуті компоненти в області максимумів потрапляють в сусідні періоди і викликають зменшення коефіцієнта модуляції.

Важливим застосуванням результатів дослідження автодинного ефекту можна вважати розробку генератора хаотичних коливань (рис.5,а), у якому нахил фазової характеристики створюється не лінією великої довжини, а спеціальними трансформаторами повних опорів. Частотний спектр сигналу такого генератора наведений на рис. 5,б.

На основі проведених робіт розроблено методи корекції спектру вихідного сигналу генератора хаотичних коливань.

1. Установка регульованого трансформатора повних опорів на визначеній відстані від генератора (автодинний ефект) приводить до перегрупування спектральних компонентів практично без утрати потужності сигналу. При цьому, для компонентів із завищеним рівнем потужності варто підібрати фазу відбитого сигналу таким чином, щоб поблизу даної частоти в генераторі монохроматичних коливань, що має ту ж частоту, що і дана спектральна складова, автодинний зсув частоти змінювався від від`ємних значень до додатних, а для підвищення заниженого рівня варто забезпечити виконання протилежної умови.

2. Шумовий сигнал розділяється на два канали з відповідним коефіцієнтом поділу, а потім обидві частини складаються з різною затримкою (модифікована подвійна спектральна обробка випадкових сигналів). Задаючи визначену величину затримки (різниця фаз сигналів, що складаються) і коефіцієнт поділу можна сформувати модульований спектр сумарного сигналу такий, що рівень спектральних складових із завищеним рівнем знижується.

Рис. 5,а. Генератор хаотичних коливань на діоді Ганна з трансформаторами повних опорів. КЗ - короткозамикаючий поршень, БР ТПО - багаторезонансний трансформатор повних опорів, ФНЧ фільтр нижніх частот.

Рис. 5,б. Спектр вихідного сигналу генератора хаотичних коливань 3-см діапазону.

Перший метод дозволяє усунути досить гострі максимуми або мінімуми в спектрі вихідного сигналу генератора хаотичних коливань, а другий метод краще застосовувати при досить гладких спектрах генератора випадкових сигналів.

Розділ 4 присвячено одній з важливих проблем радіофізики — розробці методу однозначного прецизійного вимірювання відстані з використанням випадкового сигналу. Роботи в цьому напрямку з'явилися внаслідок вивчення автодинного ефекту. У даному розділі не тільки розроблено метод модифікованої подвійної спектральної обробки [4*], але й проведена перевірка практичної придатності методу. При цьому сигнал генератора випадкових сигналів ділиться на дві частини. Потім ці частини складаються з різницею в затримці, що перевищує довжину когерентності сигналу. В результаті отримуємо модульований частотний спектр, який при рівності потужностей сигналів має вигляд, такий як показано на рис. 7.

Суть методу модифікованої подвійної спектральної обробки випадкових сигналів полягає в наступному. Проводиться вимірювання спектру сумарного сигналу, як і при подвійній спектральній обробці. Потім вимірюються частоти, що відповідають максимумам спектральної густини потужності. У точках максимумів різниця фаз опорного і зондуючого сигналів є кратною . Якщо відхилення значення вимірюваної відстані за періодом модуляції від його точного значення не перевищує чверті довжини хвилі, то можна знайти кількість півдовжин хвиль і знайти однозначну величину відстані. Це дозволяє довести точність вимірювання відстані до величини характерної для монохроматичних інтерферометрів.

Рис. 7. Нормований на одну й ту ж потужність спектр генератора випадкових сигналів () та спектр сумарного сигналу ().

При сучасному розвитку обчислювальної техніки доцільно робити запис сигналу за допомогою АЦП, а потім проводити його обробку.

ВИСНОВКИ

Основною метою роботи було вивчення автодинного ефекту у НВЧ генераторах хаотичних коливань і визначення можливостей використання даного ефекту на практиці. При цьому були отримані наступні основні результати:

1. При проведенні досліджень в інтервалі відстаней до відбивача 2ч30 м установлено, що в автодинному генераторі хаотичних коливань при фіксованому рівні відбитого сигналу на його вході коефіцієнт модуляції спектру вихідного сигналу генератора зростає не тільки зі збільшенням рівня відбитого сигналу, а й відстані до відбивача.

2. Розроблено феноменологічну модель автодинного ефекту в генераторах хаотичних коливань, яка ґрунтується на припущенні, що реальний генератор хаотичних коливань замінюється набором незалежних генераторів монохроматичних коливань. Залежності автодинного зсуву частоти і потужності кожного генератора описуються теорією автодинних генераторів монохроматичних коливань. Після зроблених перетворень частоти потужності генераторів складуються у відповідних спектральних інтервалах. Дана модель якісно правильно описує отримані експериментальні результати. При відстанях до відбивача 1-2 довжини кореляції на форму спектру вихідного сигналу впливають два ефекти: додавання сигналу генератора з підсиленим відбитим сигналом і автодинний зсув частоти. З ростом відстані вплив першого ефекту істотно зменшується, а другого збільшується.

3. Величина коефіцієнта модуляції спектра вихідного сигналу автодинного генератора хаотичних коливань прямо пропорційно залежить від відношення величини автодинного зсуву частоти спектральних компонент до періоду модуляції при його зміні в межах від 0 до близько 0,16.

4. Розроблено метод модифікованої подвійної спектральної обробки. При використанні в методі подвійної спектральної обробки випадкових сигналів поряд з визначенням відстані по періоду модуляції спектру сумарного сигналу визначаються положення максимумів у спектрі. Виходячи з умови, що в точці максимуму спектру сумарного сигналу зсув фази між його складовими кратний , проводиться дискретизація відстані. Таким чином, спільно використовуються два характерних масштаби квазимонохроматичного сигналу (довжина когерентності і довжина хвилі), при цьому точність вимірювання відстані дорівнює точності, притаманній монохроматичним інтерферометрам, а однозначність вимірювання забезпечується властивостями використовуваного випадкового сигналу.

5. Розроблено методи корекції спектру генератора хаотичних коливань, використання яких дозволяє ефективно впливати на форму частотного спектру вихідного сигналу генератора випадкових сигналів без істотної зміни його вихідної потужності:

Таким чином, результати дослідження автодинного ефекту розкривають можливості для створення генераторів хаотичних коливань з заданими характеристиками, наприклад формою спектру, а також систем для однозначного вимірювання відстані. Крім цього, задача коригування частотного спектру сигналу є досить актуальною при створенні широкосмугових генераторів хаотичних коливань, які все ширше використовуються, наприклад, в шумовій радіолокації. Не менш актуальною є задача створення далекомірів, що дозволяють проводити вимірювання в широкому діапазоні відстаней з високою точністю.

Результати роботи можуть бути використані при проведенні наукових досліджень, розробці генераторів хаотичних коливань, систем прецизійного вимірювання відстаней і фаз і т. ін.

Список цитованої літератури

1*. Лукин К.А. Шумовая радарная технология // Радиофизика и электроника. – Харьков. - Ин-т радиофизики и электроники ИРЭ НАН Украины. – 1999. – 4. - №3. - С. 105-111.

2*. Proceedings of “The First International Workshop on the NOISE RADAR TECHNOLOGY” (NRTW 2002). - Ed. by Konstantin Lukin and William Miceli. – 2002. - 18-20 SEPT. – Yalta. - Creimea. – Ukraine. – 280

3*. Ефимов Б.П., Лукин К.А., Ракитянский В.А. О трансформации спектра стохастических колебаний автогенератора под действием отражений // ЖТФ.- 1988. -Т.58. - Вып.12. - С.2398-2400.

4*.J.L. Quasi-monochromatic scattering and some possible radar applications // Radio Science. – 1968. - Sept.. - V. 3. - No 9. - P.881-886 (переклад: Пуарье Ж. Возможность использования шумового квази-монохроматического сигнала в радиолокации // Зарубежная радиоэлектроника. – 1969. - №7. - С. _).

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Кулик В.В., Лукин К.А., Ракитянский В.А. Автодинный эффект в генераторе обратной волны О-типа с хаотической динамикой // Применение радиоволн миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов, - Сб. научных трудов, - Харьков. - Ин-т радиофизики и электроники АН Украины. – 1991. - С. _.

2. Kulik V.V. , Lukin K.A. and Rakityansky V.A. Autodyne effect in weak-resonant BWO with chaotic dynamics // International Journal of Microwave and Millimeter waves”. – 1998. - Vol. 19. - No. 3. - Р. _.

3. Кулик В.В. Коррекция распределения интенсивности по спектру генератора хаотических колебаний с использованием линии задержки // Радиофизика и электроника. – 1996. - №1. - С.107-112 [Kulikthe Spectral Intensity Distribution in the Generator of Chaotic Oscillations with a Delay Line // Telecommunications and Radio Engineering. - 1999. - 53(1). - Р. 64-67].

4. Кулик В.В., Лукин К.А., Ракитянский В.А. Модификация метода двойной спектральной обработки шумовых сигналов // Украинский метрологический журнал. – 1997. - вып.4. - С. 28-32.

5. Кулик В.В., Лукин К.А., Ракитянский В.А. Применение метода некогерентной рефлектометрии для диагностики низкотемпературной плазмы // Научное приборостроение в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах радиоволн. - Сб. научн. трудов ИРЭ АН Украины. – 1992. - С.13-18.

6. Могила А.А., Лукин К.А., Кулик В.В. Статистическая погрешность измерения расстояния методом спектральной интерферометрии // Радиофизика и электроника. – 2000. - т.5. - №1. - С. 163-170 [A.A.K.A. Lukin, and V.V. Kulyk. Statistical Errors of Ranging in the Spectral Interferometry Technique // Telecommunications and Radio Engineering. – 2001. - No.55(10–11). - Р.67-77].

7. V.V. Kulik, Rakityansky V.A. Autodyne effect investigation of millimeter chaotic O-type BWO // Conf. Proc. of Int. Symposium “Physics and Engineering of Millimeter and Submillimeter Waves”. – 1994. - vol. II. P.329-330. – Kharkov. - Ukraine.

8. К.А Лукин, В.В. Кулик. Метод измерения расстояния на основе автодинного эффекта в генераторе хаотических колебаний // Научные труды Международной конференции “Метрология и измерительная техника”. – 1999. - С. 154-156. – Харьков. - Украина.

9. K.A.Lukin, V.V.Kulyk. Experimental Investigation of Spectral Interforometry Method // Proc. of the 4th International Kharkov Symposium "Physics and Engineering of Millimeter and Submillimeter Waves". – 2001. - Vol.2. - Р.879-880. – Kharkov. - Ukraine.

10. V.Kulyk, K.A.Lukin and A.A.Mogila. Spectral Interferometry Method and Autodyne (self-mixing) Effect for Noise Radar Applications // The First Int. Workshop on the Noise Radar Technology. – 2002. - Р.179-186. – Yalta. - Ukraine.

11. K.A.Lukin, O.V.Zemlyaniy, V.V.Kulyk. Application of Dynamical Chaos for Design of Random Waveform Generators, The First Int. Workshop on the Noise Radar Technology. – 2002. - Р.127-135. – Yalta. - Ukraine.

Анотація

Кулик В.В. Автодинний ефект в СВЧ генераторах хаотичних коливань. — рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.03 — радіофізика. — Інститут радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова НАН України, Харків, 2005 р.

При проведенні експериментальних досліджень автодинного ефекту (АЕ) в генераторах хаотичних коливань (ГХК) крім модуляції спектру сигналу спостерігається зростання автодинного відгуку зі збільшенням коефіцієнта відбиття і відстані, дослідженої в інтервалі 2ч30 м.

Для пояснення АЕ в ГХК побудована феноменологічна теорія, згідно з якою ГХК замінюється достатньо великим набором автодинних генераторів монохроматичних коливань (АГМК) з еквідистантно розташованими частотами. У відповідності до теорії АГМК проводиться автодинний зсув частоти (АЗЧ) та зміна потужності кожного генератора. Потім потужності генераторів складуються в визначених частотних інтервалах. Показано, що глибина модуляції визначається відношенням АЗЧ спектральних компонент до частотного періоду модуляції. У роботі запропоновано використовувати АЕ в ГХК для управління їх параметрами.

Розроблено метод модифікованої подвійної спектральної обробки (ММПСО), що, як показало моделювання, дозволяє проводити однозначні вимірювання відстаней з похибкою в декілька мікрон в діапазоні його зміни від 20 до 100 метрів. На завершальному етапі роботи розглянуто можливість застосування ММПСО для вимірювання відстані з використанням ГХК.

Ключові слова: генератор хаотичних коливань, автодинний ефект, подвійна спектральна обробка, корекція частотного спектру вихідного сигналу, модуляція спектру сигналу, однозначні вимірювання відстаней з високою точністю.

SUMMARY

V.V. Autodyne effect in the chaotic microwave oscillators - manuscript.

Thesis for the PhD. degree with the specialization 01.04.03 - Radio Physics. – Usikov Institute for Radio Physics and Electronics of NAS of Ukraine, Kharkiv, 2005.

Results of experimental study of autodyne effect (AE) in chaotic oscillators (CO) are presented. The autodyne effect in CO has two important properties: an unambiguous distance with a delay and increase of the autodyne response in range interval 2ч30not only with increase of a reflection index, but with a distance too. The result of investigation of AE in CO is phenomenological theory developed. A real CO is replaced with a sufficient large number of single-frequency (SF) equidistantly placed oscillators. According to the theory of autodyne SF oscillators, each oscillator takes its autodyne frequency shift (AFS) and power change. Then powers of oscillators are added in corresponded frequency intervals. The depth of the modulation is determined by the ratio of the AFS of the frequency components to the frequency modulation period.

It is suggested to use AE in CO for its parameters correction.

Modeling shows the designed method of the modified double spectral processing (MDSP) allows carrying out the unambiguous distance measurements with an error in some microns in range 20 ч100 meters. Using of autodyne CO and the MDSP for distance measurement is the final stage of the work.

Key words: Chaotic oscillator, autodyne effect, double spectral processing, correction of a signal power spectrum, single-valued range measurement with high precision.

АННОТАЦИЯ

Кулик В.В. Автодинный эффект в СВЧ генераторах хаотических колебаний. — Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.03 — радиофизика. — Институт радиофизики и электроники им. А.Я. Усикова НАН Украины, г. Харьков, 2005 г.

В данной работе приводятся результаты экспериментального исследования автодинного эффекта в генераторах хаотических колебаний. Кроме известной модуляции спектра сигнала в генераторах хаотических колебаний обнаружено, что автодинный эффект в генераторах хаотических колебаний имеет еще одно важное свойство — при неизменном коэффициенте отражения от объекта величина автодинного отклика при определенных условиях растет с увеличением расстояния, что показано при изменении расстояния до отражателя в пределах 2ч30 м. Эти результаты были получены в 8-мм диапазоне длин волн в генераторе на лампе обратной волны и подтверждены независимыми измерениями в 3-см диапазоне с использованием генератора на диоде Ганна.

Для объяснения обнаруженного эффекта в генераторе хаотических колебаний построена феноменологическая теория, которая описывает качественное поведение автодинного генератора хаотических колебаний при воздействии на него его же собственного отраженного сигнала. Генератор хаотических колебаний заменяется достаточно большим набором независимых генераторов монохроматических колебаний с эквидистантно расположенными частотами. В соответствии с теорией автодинных генераторов монохроматических колебаний проводится смещение частоты и изменение мощности каждого генератора. Затем мощности генераторов складываются в определенных частотных интервалах. При этом показано, что глубина модуляции определяется отношением автодинного сдвига частоты спектральных компонент к частотному периоду модуляции, чем и объясняется увеличение глубины модуляции с ростом расстояния.

С целью практического использования разработан метод модифицированной двойной спектральной обработки, позволяющий проводить однозначные измерения расстояний с высокой точностью. При этом используются преимущества двух известных методов: двойной спектральной обработки случайных сигналов и интерферометрии монохроматических сигналов. В работе проведено моделирование процесса измерения с помощью метода модифицированной спектральной обработки случайных сигналов и найдены возможности получения однозначного значения расстояния с погрешностью в несколько микрон в диапазоне его изменения от 20 до 100 метров. Реализация метода в модели прибора показала значительные трудности, связанные с искажениями и наличием шумов.

В работе предложено использовать задержку сигнала генератора хаотических колебаний для коррекции его частотного спектра. Разработаны два метода. Первый с пользованием автодинного эффект в генераторах хаотических колебаний применение которого позволяет практически без изменения выходной мощности получать спектр с улучшенными (требуемыми) спектральными характеристиками. Суть метода состоит во включении в выходную или вспомогательную цепь генератора трансформатора полных сопротивлений для создания отраженного сигнала с определенным коэффициентом отражения и распределением фазы. При воздействии на генератор этим сигналом можно как увеличить, так и уменьшить уровень выходного сигнала на определенных участках спектра сигнала. Второй способ состоит в сложении частой предварительно разделенного сигнала с определенной задержкой. Подбирая коэффициент деления и распределение фазы можно необходимым образом изменить спектр, добиваясь нужной формы.

На завершающем этапе работы рассмотрена возможность использования модифицированной двойной спектральной обработки для измерения расстояния с использованием автодинного генератора, основанная на применении феноменологической теории автодинного эффекта в генераторах хаотических колебаний и модифицированной двойной спектральной обработки.

Ключевые слова: генератор хаотических колебаний, автодинный эффект, двойная спектральная обработка, коррекция частотного спектра выходного сигнала, модуляция частотного спектра сигнала, однозначные измерения расстояний с высокой точностью.