Широков І. Б., Синіцин Д. В., Шабаліна О. В. Севастопольський Національний технічний університет Севастополь, Стрілецька бухта, Студмістечко, 335053, СевНТУ, кафедра радіотехніки тел. (+38 0692) 55-000-5, факс 55-414-5, E-mail: shirokov@stel.sebastopol.ua

Посилений сигнал з частотою Q подається разом з опорним сигналом на фазовий детектор, на виході якого формується напруга пропорційне різниці фаз сигналів. Паралельно сигнал подається на амплітудний детектор. Таким чином, на виході амплітудного детектора ми маємо

сигнал, пропорційний Is – що вноситься каналом зв’язку загасання, а на виході фазового детектора

сигнал, пропорційний 2Ф – що вноситься каналом зсуву фаз.

Розглянемо основні області застосування ра-діоволнових гомодинного методів.

Перш за все – це наукові дослідження в області поширення радіохвиль, що дозволяють істотно розширити наші знання про фізику атмосфери і Землі [5].

Стосовно до завдань телекомунікацій – це дослідження амплітудно-фазових характеристик атмосферних каналів зв’язку в залежності від метеорологічних умов місцевості. Результати даних робіт представлені [6, 7].

Так само можна вирішувати і зворотну задачу – екологічний моніторинг. Так фаза і амплітуда хвилі при проходженні через яку-небудь неоднорідність в атмосферному каналі змінює свої значення в залежності від виду неоднорідності. У свою чергу, даний вид і зміна атмосферної неоднорідності залежить від метеорологічних параметрів (температура, вологість, тиск, швидкість і напрямок вітру), а так само від присутності в атмосфері різних газів, пилу та інших об’ємно розподілених неоднорідностей. В цьому випадку, отримуючи залежність набігу фази і амплітуди хвилі в точці прийому, що пройшла через атмосферне канал зв’язку, можна говорити про вміст у ньому в певній концентрації тих, чи інших речовин, що може дозволити провести газовий аналіз на ділянці вимірювання або виявляти забруднені області та пилові хмари.

В сучасних радіосистемах, що використовують багатопозиційна фазову маніпуляцію фазова помилка при поширенні через неоднорідний канал, може досягати значень більше, ніж крок маніпуляції, що призводить до помилок передачі і як наслідок до зниження швидкості передачі інформації. За результатами сканування каналу і визначення флуктуації набігу фази, можна прогнозувати і, відповідно коригувати передачу даних. Підхід до цієї проблеми зроблений в роботі [8].

Область застосування радіохвильових гомодинного методів вимірювань може поширюватися на контроль параметрів технологічних процесів. Це, в першу чергу:

– неруйнівний контроль якості оптично непрозорих виробів (виявлення неоднорідностей і визначення щільності);

– контроль параметрів лінійного та кутового переміщення об’єктів (контроль параметрів руху об’єктів мають кілька ступенів свободи);

– контроль швидкості переміщення об’єкта;

– контроль профілю поверхні;

– контроль параметрів механічних коливань;

– визначення дистанцій і рівня рідини [9-11];

– визначення швидкості течії та якісного складу речовини в потоці.

У даних випадках контроль параметрів здійснюється за набігу фази сигналу на відстані с / = фА/ 2А: до об’єкта, де ср ^ – кумулятивна фаза, к = 2п / Х – хвильове число [12].

Неруйнівний контроль якості виробів, тобто сканування-якого оптично непрозорого об’єкта з подальшим відновленням його внутрішньої структури (цифрова СВЧ голографія) можна здійснити, визначаючи набіг фази та зміни амплітуди радіохвилі, що пройшла через об’єкт. Подальшим скануванням по оптично непрозорого об’єкту, можна записати картину амплі-тудно-фазового розподілу, тобто отримати дискретну голограму об’єкта, яку надалі можна відновити, застосовуючи алгоритми обробки на ЕОМ. СВЧ голографія може застосовуватися при відновленні внутрішнього зображення оптично непрозорих об’єктів, неруйнівного контролю якості оптично непрозорих виробів, і т.д.

гомодинного методи можуть знайти своє застосування в техніці побудови і функціонування антенних решіток та антенних вимірювань [13]. Задача синтезу антени при цьому може бути істотно спрощена завдяки прямим вимірам амплітудно-фазових розподілів в розкриві антен.

Рішення задач радіолокації і радіонавігації також може бути здійснено гомодинного методами [14,15]. При цьому реалізується точність фазових радіотехнічних систем істотно перевершує точність класичних.

Особливе місце займають гомодинного методи в області діагностики і медичних досліджень. В даному аспекті гомодинного методи являють собою гідну заміну рентгенівського випромінювання, як найбільш небезпечному для живих організмів. Більш того, на відміну від рентгенівських методів дослідження, що дозволяють контролювати тільки амплітудні зміни в органах і тканинах, гомодинного методи дозволять оцінювати якісний склад останніх і отримувати 3D зображення внутрішніх органів.

Точність визначення геометричних розмірів, координат, якісного складу об’єкту і т.п. на основі гомодинного методів, визначається довжиною хвилі випромінювань, будь то радіохвильові, будь то акустичні. Крім цього на точність вимірювань впливає роздільна здатність самого вимірника різниці фаз і амплітуди. Оскільки фазові вимірювання згідно описаного вище методу виробляються не на частоті несучої, а переносяться в область низьких частот, то можна стверджувати, що інструментальна похибка вимірювання різниці фаз практично не позначається на точності проведених вимірювань. Так для частоти вимірювання різниці фаз в один кілогерц не представляє особливої ​​праці чисто цифровими методами отримати роздільну здатність цих вимірювань в 1,4 °, що відповідає 8 розрядам цифрового коду, і навіть більше. За очевидним міркувань розрядність цифрового коду доцільно вибирати кратної восьми. Тоді для довжини хвилі випромінювання 3 см (наприклад, мікрохвильові випромінювання з частотою 10 ГГц), роздільна здатність визначення геометричних розмірів складе 3/256 = 0,12 (мм). Підвищуючи частоту випромінювання і збільшуючи число розрядів цифрового коду можна ще більше покращувати роздільну здатність проведених вимірювань.

I. Висновок

Підбивши підсумки, можна сказати, що гомодинного методи вимірювань є найбільш універсальними, точними, і, що найголовніше, простими в реалізації.

Область їх застосування досить широка. Це:

вивчення поширення радіо-, акустичних

хвиль на відкритих трасах;

екологічний моніторинг місцевості;

– телекомунікація

вимірювання параметрів стаціонарних і динамічних об’єктів і процесів; радіолокація, радіонавігація;

– техніка антен і антенних вимірювань медичні застосування

і багато іншого.

II. Список літератури

[1]. Shirokov I. В., Ivashina М. V. Amplitude and Phase Progression Measurements on Microwave Line-of-Sight Links. IGARSS’01. Conf. Proceedings. Sydney, Australia, 9 –

13 July 2001.-3646 pp.

[2]. Широков І. Б., Шабан С. А. Спосіб вимірювання флуктуацій набігу фази і кутів приходу радіохвиль. Пат. Україна № 58814 А, оп. в Бюл. № 8 15.08.2003 G01R 29/08.

[3]. Широков І. Б. Пристрій для вимірювання амплітуди та різниці фаз. А. С.1486942 (СРСР), оп. в БІ

№ 22 15.06.1989 С01Р13/04.

[4]. Широков І. Б. Спосіб визначення кута приходу радіохвиль. А. С.1718149 (СРСР), оп. в БІ

№ 9 07.03.1992 G01R 29/08.

[5]. Широков І. Б. The Determination of Microwave Propagation Mechanism on Line-of-Sight Links. IGARSS’03, Conf. Proceedings., Toulouse, France, 21-25 July 2003, Vol. VII: pp 4175-4176.

[6]  .      Shirokov I. S., Shaban S. A. Experimental Investigations of Amplitude and Phase Progression Fluctuations on Microwave Line-of-Sight Links. IGARSS’02, Conf. Proceedings. Toronto, Canada, 24-28 June 2002, Vol. VI: pp 3559-3560.

[7]  .      Shirokov I. S., Shaban S. A., Polivkin S. N, Sinitsyn

D. V. Exerimental Investigations of Amplitude and Phase Progression Fluctuations on Microwave Line-of-Sight Links in Relation with Natural Medium Condition. IGARSS’03, Conf. Proceedings., Toulouse, France, 21 -25 July 2003,

Vol. VII: pp 4177-4179.

[8]. Широков І. Б., Шабан С. А., Синіцин Д. В., Полівкін С. Н. Наритнік Т. Н. До питання збільшення пропускної здатності цифрових наземних мікрохвильових каналів зв’язку з багатопозиційної фазової маніпуляцією. 13-та Міжнародна КриМіКо 2003.

[9]. Широков І. Б. Вимірювання рівня рідини мікрохвильовим методом. 9-а Міжнародна КриМіКо 1999.

[10]. Широков І. Б., Тарелкін І. А., Хайредіна Е. А. Мікрохвильовий вимірювач малих дистанцій. 10-я Міжнародна КриМіКо 2000.

[11]. Широков І. Б. До питання усунення неоднозначності фазового мікрохвильового вимірника малих дистанцій. 11-я Міжнародна КриМіКо 2001.

[12]. Широков І. Б., Шабан С. А. До питання вимірювання флуктуацій амплітуди і набігу фази радіохвиль. Між-нар. НТ журнал Вім1рювальна та обчислювальна тех-HiKa в технолопчніх процесах. № 1, 2002.

[13]. Shirokov I. В. The Method Of Determination Of The Amplitude And Phase Distribution In Antenna Aperture Plane. IV Int. Conf. on Antenna Theory and Techniques. 8 –

12 September 2003, Sevastopol.

[14]. Широков І. Б. Використання гомодинного методів в задачах освітлення підводної обстановки в перерізі контрольованої акваторії. В СБ Стан і розвиток військово-морських сил збройних сил України на сучасному етапі. Ill НТК ВМС ЗСУ, 27-28 листопада. 2003, Севастополь.

[15]. Широков І. Б., Бондюк В. Вимірювання дальності фазовим методом. СБ наук. праць СВМІ

ім. П. С. Нахімова ВМС ЗСУ, Севастополь, 2004.

Вип.1 (4).

THE PRINCIPLES OF REALIZATION AND APPLICATION RANGE OF HOMODYNE MEASURING METHODS

Shirokov I. B., Sinitsyn D. V., Shabalina О. V. Sevastopol National Technical University 335053, Sevastopol, Strelezkaja bay, Studgorodok, SNTU,

Chair of radio engineering Phone: (+38 0692) 55-000-5, fax 55-414-5 E-mail: shirokov@stel. sebastopol. ua

Abstract -The homodyne methods of amplitude and phase measurements are presented. The range of applications of homodyne method is discussed.

I.  Introduction

Contactless control methods are well suitable in scientific investigations and applied problems solving. The high accuracy, quick response and wide spectrum of controlled parameters are the best features of ones.

In this paper the homodyne methods of signal amplitude and phase measuring are presented. Ones let us eliminate the influence of oscillation initial phase.

Homodyne methods are well suitable not only in radio wave measurements, but in acoustics.

II.  Main part

The main principle of homodyne methods is the using of initial oscillations as heterodyne ones for oscillations, which are passing through object under testing and have information about its parameters.

The equipment block diagram, which realizes the homodyne method, is presented on Fig. 1.

The initial oscillations are (1).

The transformed with retranslator oscillations are (2).

The picked out with mixer oscillations are (3).

So, the amplitude detector signal has information about insertion with channel loss L2 and phase detector signal has information about insertion with channel phase shift 2 Ф.

The homodyne methods application ranges are:

–    Scientific research in propagation, which allow expanding our knowledge about the Earth,

–    Ecological region monitoring,

–    Telecommunication,

–    Control of parameters of engineering process,

–    Antenna technique and antenna measurements,

–    Radar and navigation technique,

–    Medicine applications, and many others.

The accuracy of homodyne measuring methods depends on wavelength as well as instrumental resolving capacity. Because of the phase the measurements are carried out on low frequencies, the instrumental resolving capacity does not affect on measurement accuracy. So, for phase difference measuring frequency of one kilohertz the instrumental resolving capacity is reached 1.4° (8 bits of digital code) and more with digital manner. It is for the wavelength of 3 cm that corresponds to 0.12-mm accuracy.

III.  Conclusion

So, the homodyne methods are the most universal, high accuracy and, the most important, simply realized.

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології»