Устройство для моделирования системы радиолокационного зондирования тонких немагнитных слоев

 

Изобретение относится к вычислительной технике, предназначено для моделирования формы огибающей отраженных от слоев радиосигналов при неразрешении их по критерию Релея и может быть использовано как техническое средство обучения, а также при исследовании реальных радиолокационных систем зондирования тонких слоев. Целью изобретения является автоматизированное уточнение коэффициента формы огибающей эхо-сигналов при их неразрешении по критерию Релея в зависимости от сдвига фаз радиоимпульсов, отраженных от границ слоев, а также характеристик шумовой составляющей среды. Устройство содержит генератор 1 тактовых импульсов, два полосовых фильтра 2-1, 2-2, генератор 3 шума, сумматор 4, ключевой элемент 5, три ждущих мультивибратора 6-1. . . 6-3, четыре фильтра нижних частот 7-1... 7-4, два модулятора 8-1, 8-2, фазовращатель 9, регулятор амплитуды 10, три амплитудных детектора 11-1. . . 11 - 3, блок деления 12, блок 13 оценки сдвига фаз, генератор 14 синусоидальных колебаний, два блока дифференцирования 15-1, 15-2, триггер Шмитта 16, два формирователя импульсов 17-1, 17-2, счетчик импульсов 18, цифроаналоговый преобразователь 19, умножитель 20, блок 21 оценки среднеквадратичного напряжения, управляемый фильтр 22. 2 ил.

Изобретение относится к вычислительной технике, предназначено для моделирования формы огибающей отраженных от слоев радиосигналов при неразрешении их по критерию Релея и может быть использовано как техническое средство обучения, а также при исследовании реальных радиолокационных систем зондирования тонких слоев.

Целью изобретения является автоматизированное уточнение коэффициента формы огибающей эхо-сигналов при их неразрешении по критерию Релея в зависимости от сдвига фаз радиоимпульсов, отраженных от границ слоев, а также характеристик шумовой составляющей среды.

Функциональная схема устройства представлена на фиг.1; временные диаграммы сигналов на выходах блоков устройства на фиг.2.

Устройство содержит генератор 1 тактовых импульсов, два полосовых фильтра 2-1, 2-2, генератор 3 шума, сумматор 4, ключевой элемент 5, три ждущих мультивибратора 6-1.6-3, четыре фильтра нижних частот 7-1.7-4, два модулятора 8-1, 8-2, фазовращатель 9, регулятор амплитуды 10, три амплитудных детектора 11-1.11-3, блок деления 12, блок 13 оценки сдвига фаз, генератор 14 синусоидальных колебаний, два блока дифференцирования 15-1, 15-2, триггер Шмитта 16, два формирователя импульсов 17-1, 17-2, счетчик импульсов 18, цифроаналоговый преобразователь 19, умножитель 20, блок 21 оценки среднеквадратичного напряжения, управляемый фильтр 22.

Вход управления фильтра 22 является входом задания ширины спектра шумового сигнала устройства, выход генератора 3 шума соединен с информационным входом управляемого фильтра 22, выход которого подключен к входу блока 21 оценки среднеквадратичного напряжения и к входу ключа 5, выход которого соединен с первым входом сумматора 4.

Выход сумматора 4 через цепочку последовательно соединенных первого амплитудного детектора 11-1, первого блока дифференцирования 15-1, триггера Шмитта 16, второго блока дифференцирования 15-2 подключен к входу первого формирователя импульсов 17-1, выход которого соединен со счетным входом счетчика импульсов 18. Вход сброса счетчика импульсов 18 подключен к выходу второго формирователя импульсов 17-2. Выходы счетчика импульсов 18 соединены с входами цифроаналогового преобразователя 19, выход которого подключен к первому входу умножителя 20, выход которого является выходом сигнала, пропорционального уточненному коэффициенту формы огибающей эхо-сигнала устройства. Выходом сигнала, пропорционального шумовой составляющей среды является выход блока оценки 21 среднеквадратичного напряжения.

Выход генератора 1 тактовых импульсов соединен с входами первого 6-1 и второго 6-2 ждущих мультивибраторов и входом второго формирователя импульсов 17-2. Выход первого ждущего мультивибратора 6-1 подключен к входу первого фильтра 7-1 нижних частот, выход которого соединен с первым входом первого модулятора 8-1, выход которого подключен к входу первого полосового фильтра 2-1, выход которого соединен с входом фазовращателя 9, выход которого подключен к первому входу блока 13 оценки сдвига фаз, второму входу сумматора 4 и входу второго амплитудного детектора 11-2.

Выход второго амплитудного детектора 11-2 соединен с входом второго фильтра 7-2 нижних частот, выход которого подключен к входу делителя блока деления 12, выход которого соединен с вторым входом умножителя 20. Выход второго ждущего мультивибратора 6-2 подключен к входу третьего ждущего мультивибратора 6-3, выход которого соединен с входом синхронизации блока 13 оценки сдвига фаз и входом третьего фильтра 7-3 нижних частот, выход которого подключен к первому входу второго модулятора 8-2, выход которого соединен с входом второго полосового фильтра 2-2, выход которого подключен к входу регулятора 10 амплитуды, выход которого соединен с вторым входом блока 13 оценки сдвига фаз, третьим входом сумматора 4 и входом третьего амплитудного детектора 11-3. Выход третьего амплитудного детектора 11-3 подключен к входу четвертого фильтра 7-4 нижних частот, выход которого соединен с входом делимого блока деления 12. Выход генератора 14 синусоидальных колебаний подключен к вторым входам первого 8-1 и второго 8-2 модуляторов.

Устройство работает следующим образом.

Импульсы с выхода генератора 1 тактовых импульсов поступают на вход запуска ждущих мультивибраторов 6-1 и 6-2, а также на вход второго формирователя 17-2. Выходным импульсом формирователя 17-2 в каждом такте производится сброс двоичного счетчика импульсов 18 в нулевое положение.

Выходной импульс прямоугольной формы с выхода ждущего мультивибратора 6-1 имеет длительность Т, меньшую полупериода следования импульсов с выхода генератора 1 тактовых импульсов (фиг.2,а).

В каждом такте импульс с выхода мультивибратора 6-1 поступает на вход фильтра 7-1 нижних частот. Управляя параметрами фильтра 7-1, оператор может изменять форму его выходного импульса, сглаживая фронт и срез входного импульса или трансформируя его в треугольную форму.

На фиг.2б показаны в такте I прямоугольный импульс со сглаженными фронтом и срезом, в такте II импульс, близкий по форме к гауссовой, в такте III импульс, близкий по форме к треугольной.

Выходной импульс ждущего мультивибратора 6-2 оператор может регулировать по длительности в пределах от 0 до Т. По заднему фронту этого импульса запускается ждущий мультивибратор 6-3, длительность выходного импульса которого постоянна и равна Т.

Выходной импульс ждущего мультивибратора 6-3 поступает на вход фильтра 7-3 нижних частот. Управляя параметрами фильтра 7-3, оператор приближает форму выходного импульса фильтра 7-3 к форме импульса, установленного на выходе фильтра 7-1 (см. фиг.2,в).

На выходе модуляторов 8-1 и 8-2 получаем в каждом такте амплитудно-модулированные импульсы, частота заполнения которых выбирается так, чтобы в пределах длительности видеоимпульса Т укладывалось приблизительно 10 периодов колебаний несущей частоты (фиг.2,г,д).

Выходные сигналы модуляторов 8-1 и 8-2 поступают соответственно на входы полосовых фильтров 2-1 и 2-2, где отфильтровываются комбинационные частоты. В результате на выходах полосовых фильтров 2-1 и 2-2 получаем радиоимпульсы с огибающей заданной формы (фиг.2,г,д).

Начальные фазы несущих частот радиоимпульсов на выходах полосовых фильтров 2-1 и 2-2 произвольны. Для установки заданного значения сдвига фаз радиоимпульсов используется фазовращатель 9, которым управляет оператор.

Оценка сдвига фаз производится с помощью блока 13, который может представлять, например, двухлучевой осциллограф типа С1-83. Вход синхронизации осциллографа соединяется с выходом ждущего мультивибратора 6-3.

Радиоимпульсы с выхода фазовращателя 9 поступают на объединенные второй вход сумматора 4 и вход второго амплитудного детектора 11-2. На выходе амплитудного детектора 11-2 выделяется в каждом такте огибающая радиоимпульса, которая поступает на вход второго фильтра 7-2 нижних частот.

Назначением фильтра 7-2 является выделение постоянной составляющей, пропорциональной максимальному значению амплитуды огибающей радиоимпульса, поступающего с выхода фазовращателя 9.

Аналогичную функцию выполняет четвертый фильтр 7-4 нижних частот, выделяя максимум огибающей радиоимпульса с выхода регулятора 10 амплитуды радиоимпульса. Установку амплитуды радиоимпульса на выходе амплитудного регулятора 10 производит оператор. При этом значение амплитуды радиоимпульса моделирует потери энергии волны на границах слоя, а также в слое при прохождении волны туда и обратно.

Толщина слоя отображается на временном положении радиоимпульсов, отраженных от верхней и нижней границ слоя (фиг.2,г,д). Причем, изменяя длительность выходного импульса ждущего мультивибратора 6-2, оператор может моделировать толщину слоя путем изменения задержки τ второго радиоимпульса относительно первого.

Отношение а максимальных амплитуд радиоимпульсов с выходов фильтров 7-2 и 7-4 нижних частот, моделирующих отражения от границ слоя, вычисляется в блоке деления 12.

Одновременно радиоимпульсы с выхода фазовращателя 9 и выхода регулятора амплитуды 10 поступают соответственно на второй и третий входы сумматора 4. Рассмотрим вначале случай, когда оператор с помощью ключевого элемента 5 отключает первый вход сумматора 4 от выхода управляемого фильтра 22, т.е. случай отсутствия шумовой составляющей среды.

Тогда в зависимости от сдвига фаз радиоимпульсов будем получать сложное колебание, огибающая которого может принимать различную форму. При этом следует отметить, что при отсутствии разрешения по критерию Релея, когда радиоимпульсы накладываются друг на друга без интервала между ними, важное значение приобретает сдвиг их фаз.

На фиг.2,е показаны: в такте I наличие "провала" в огибающей суммарного сигнала при сдвиге фаз между радиоимпульсами, равном 180^о, в такте II отсутствие "провала" при сдвиге фаз, равном 0^о, в такте III наличие небольших всплесков и "плато" между ними при сдвиге фаз, равном 90^о.

Таким образом, в данном устройстве, моделируя отражение радиоволн от тонких немагнитных слоев, можно получать огибающую радиосигнала различной формы, зависящей от сдвига фаз между суммируемыми радиоимпульсами.

Шумовая составляющая среды вносит дополнительные искажения в форму огибающей суммарного радиосигнала, что показано на фиг.2,ж.

Моделирование шумовой составляющей среды производится с помощью блоков 3, 22 и 5. В блоке оценки 21 производится оценка среднеквадратичного напряжения шума, подаваемого на первый вход сумматора 4.

Ширину спектра шумового сигнала и его верхнюю и нижнюю граничные частоты устанавливает оператор с помощью управляемого фильтра 22.

Выходной сигнал амплитудного детектора 11-1, представляющий собой огибающую суммарного радиосигнала, поступает на первый блок дифференцирования 15-1.

Выходной сигнал блока дифференцирования 15-1 принимает нулевые значения в моменты времени, соответствующие экстремумам огибающей, которые обозначены на фиг. 2, ж крестиками. Характер выходного сигнала блока дифференцирования 15-1 показан на фиг.2,з. Этот сигнал поступает на вход триггера Шмитта 16 с порогом срабатывания U_пор.

На выходе триггера Шмитта 16 формируется сигнал с крутыми фронтами и срезами (фиг.2,и), который поступает на вход второго блока дифференцирования 15-2.

На выходе второго блока дифференцирования 15-2 в моменты появления фронтов и срезов входного сигнала формируются короткие импульсы, число которых равно числу экстремумов плюс единица в огибающей сигнала на выходе амплитудного детектора 11-1 в каждом такте. Указанные импульсы биполярны.

Импульсы с выхода второго блока дифференцирования 15-2 поступают на вход первого формирователя 17-1, на выходе которого получаем униполярные импульсы, которые поступают на вход двоичного счетчика 18.

Зафиксированное в каждом такте число импульсов в счетчике 18 в виде двоичного параллельного кода поступает на цифроаналоговый преобразователь 19, где преобразуется в соответствующее постоянное напряжение.

Выходное напряжение преобразователя 19 поступает на один вход умножителя 20, на второй вход которого поступает напряжение с выхода блока деления 12, отображающее отношение а максимальных амплитуд радиоимпульсов, моделирующих отражение от границ слоя.

Таким образом, на выходе умножителя 20 в конце каждого такта будем получать автоматизированное уточнение коэффициента формы огибающей эхо-сигнала в виде β (N + 1) a, где N число экстремумов в огибающей эхо-сигнала.

Значение коэффициента формы зависит от сдвига фаз радиоимпульсов, отраженных от границ слоя, а также от среднеквадратичного напряжения шумовой составляющей среды.

Автоматизированное уточнение коэффициента формы в зависимости от указанных факторов позволит производить соответствующие статистические исследования, использовать устройство в качестве технического средства обучения, а также способствовать разработке соответствующих систем зондирования тонких немагнитных слоев.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ РАДИОЛОКАЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ТОНКИХ НЕМАГНИТНЫХ СЛОЕВ, содержащее генератор тактовых импульсов, два полосовых фильтра, генератор шума, сумматор, ключевой элемент, отличающееся тем, что в устройство введены три ждущих мультивибратора, четыре фильтра нижних частот, два модулятора, фазовращатель, регулятор амплитуды, три амплитудных детектора, блок деления, блок оценки сдвига фаз, генератор синусоидальных колебаний, два блока дифференцирования, триггер Шмидта, два формирователя импульсов, счетчик импульсов, цифроаналоговый преобразователь, умножитель, блок оценки среднеквадратичного напряжения и управляемый фильтр, вход управления которого является входом задания ширины спектра шумового сигнала устройства, выход генератора шума соединен с информационным входом управляемого фильтра, выход которого подключен к входу блока оценки среднеквадратичного напряжения и входу ключевого элемента, выход которого соединен с первым входом сумматора, выход которого через цепочку из последовательно соединенных первого амплитудного детектора, первого блока дифференцирования, триггера Шмидта, второго блока дифференцирования подключен к входу формирователя импульсов, выход которого соединен со счетным входом счетчика импульсов, вход сброса которого подключен к выходу второго формирователя импульсов, выход счетчика импульсов соединен с входом цифроаналогового преобразователя, выход которого подключен к первому входу умножителя, выход которого является выходом сигнала, пропорционального уточненному коэффициенту формы огибающей эхосигнала устройства, выходом сигнала, пропорционального шумовой составляющей среды устройства, является выход блока оценки среднеквадратичного напряжения, выход генератора тактовых импульсов соединен с входом первого и второго ждущих мультивибраторов и входом второго формирователя импульсов, выход первого ждущего мультивибратора подключен к входу первого фильтра нижних частот, выход которого соединен с первым входом первого модулятора, выход которого подключен к входу первого полосового фильтра, выход которого соединен с входом фазовращателя, выход которого подключен к первому входу блока оценки сдвига фаз, второму входу сумматора и входу второго амплитудного детектора, выход которого соединен с входом второго фильтра нижних частот, выход которого подключен к входу делителя блока деления, выход которого соединен с вторым входом умножителя, выход второго ждущего мультивибратора подключен к входу третьего ждущего мультивибратора, выход которого соединен с входом синхронизации блока оценки сдвига фаз и входом третьего фильтра нижних частот, выход которого подключен к первому входу второго модулятора, выход которого соединен с входом второго полосового фильтра, выход которого подключен к входу регулятора амплитуды, выход которого соединен с вторым входом блока оценки сдвига фаз, третьим входом сумматора и входом третьего амплитудного детектора, выход которого подключен к входу четвертого фильтра нижних частот, выход которого соединен с входом делимого блока деления, выход генератора синусоидальных колебаний подключен к вторым входам первого и второго модуляторов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2