автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Открытые волноводные и резонансные КВЧ устройства бесконтактной диагностики быстропротекающих процессов в многокомпонентных средах

На правах рукописи

ОРЕХОВ Юрий Иванович

ОТКРЫТЫЕ ВОЛНОВОДНЫЕ И РЕЗОНАНСНЫЕ КВЧ УСТРОЙСТВА БЕСКОНТАКТНОЙ ДИАГНОСТИКИ БЫСТРОПРОТЕКАЮЩИХ ПРОЦЕССОВ В МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ СРЕДАХ

Специальность 05 12 04 Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

ии^иБ5738

Москва-2007

003065738

Работа выполнена на Федеральном государственном унитарном предприятии «Федеральный научно производственный центр НИИ измерительных систем им Ю Е Седакова»

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Банков Сергей Евгеньевич

доктор физ -мат наук, профессор Ильинский Анатолий Серафимович

доктор физ -мат наук, профессор Кисляков Альберт Григорьевич

Ведущая организация: ФГУП «Российский федеральный ядерный

центр - Всероссийский НИИ Экспериментальной физики (РФЯЦ-ВНИИЭФ)»

Защита состоится 11 октября 2007 г в 35 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 212 157 05 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу 111250, Москва, Красноказарменная ул , д 17, аудитория А-402

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Ученый совет МЭИ (ТУ)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института (технического университета)

Автореферат разослан << » 2007 г

Ученый секретарь диссертационного

совета Д 212 157 05

кандидат технических наук, доцент«

1! 'Курочкина Т И

Общая характеристика работы

Актуальность темы Развитие ряда промышленных отраслей в значительной степени определяется совершенствованием физики и техники быстро-протекающих процессов (БПП) Источниками таких отраслевых и конверсионных физико-технических задач в атомной промышленности РФ являются

• диагностика газодинамических взрывных процессов (ГДП),

• диагностика плазмы, образующейся при входе летательных

аппаратов (ЛА) в плотные слои атмосферы,

• расходометрия многофазных потоков на газоконденсатных месторождениях

Задачи диагностики в физико-химической газодинамике взрывных процессов ("горение, детонация, высокотемпературный удар) при все растущих плотностях энергии требуют постоянного совершенствования экспериментальных физических установок Существующие методы решения этих задач не свободны от недостатков - дискретности отсчетов в пространстве и/или времени, невысокой точности измерений, возмущения исследуемых процессов

Задачи диагностики параметров плазмы при входе ЛА в плотные слои атмосферы являются важной составляющей комплексной задачи их проектирования Подобные задачи, в частности, в интересах термоядерного синтеза, исследовались и решались в работах В Е Голанта, Л А Душина, И Н Москалева и др Информация о параметрах плазмы - как в реальном полете, так и на испытательных стендах - позволяет прогнозировать работу бортовых радиосистем, определить требования к РЭА и к системе теплозащиты ЛА, уточнить их баллистические характеристики Все эти задачи требуют измерения динамических параметров плазмы с достаточной точностью

Задачи покомпонентной расходометрии продуктов добычи составляют важную проблему газо- и нефтедобывающей отрасли Знание непрерывного дебита скважин в реальном масштабе времени крайне важно для учета продуктов добычи, для оптимизации режима и прогнозирования жизни скважин

Перечисленные разноплановые задачи имеют много общего в характере процессов, в условиях их прогекания и, соответственно, в их постановке

• быстрое протекание, динамичность и/или кратковременность,

• многокомпонентность сред, в которых протекают процессы,

• ограниченность пространственной области диагностики,

• многофакторность и междисциплинарный характер описания;

• неполнота исходных требований для проектной разработки

Из сказанного следует, что диагностика БПП является исключительно актуальной областью приложения современной радиотехники и радиофизики

Многолетний опыт решения подобных задач показал, что углубленное изучение отдельных явлений и процессов, без должного их анализа в единстве

- как правило, не приводит к прорывным, качественным решениям Описанным способом можно достичь улучшения, но только по отдельным показателям качества (ПК) Улучшение решения по совокупности ПК требует анализа проблемных вопросов радиоинтерферометрии (РИ) и ее ближайшего прототипа

- ближней радиолокации (БР) Такой анализ (см , например, Поршнев С В «Радиолокационные методы измерений экспериментальной баллистики», - Екатеринбург УрО РАН, 1999 - 211с) показал, что в этой проблемной области .можно и нужно изучать два класса взаимосвязанных аспектов

• задачи формирования полей и организации их взаимодействия с объектом диагностики («полевые» аспекты).

• задачи обработки сигналов в цепях («сигнальные» аспекты) Однако в силу ряда причин это не всегда выполняется Так, в одной из последних работ по БР (В В Езерский, Метод повышения точности измерения расстояния в радиодальномере с частотной модуляцией для промышленных систем ближней радиолокации автореф дкс докт техн наук 05 12 14 - М МЭИ, 2006 - 35с), где решалась задача получения максимальной точности измерения малых расстояний, полевые аспекты практически не рассматриваются

Поэтому задача работы с самого начала ставилась максимально широко Выбор носителя диагностической информации. В качестве такого носителя по совокупности ПК предпочтительно использовать волновые процессы Практика диагностики, в частности, диагностики плазмы, давно осваивает

эти технологии на различных частотах Особое место здесь занимает милли-

л

метровый (мм) диапазон длин волн (диапазон КВЧ) Для рассматриваемой в диссертации задачи диагностики бортовой плазмы характерны значения электронной концентрации п= 1013 см-3, поэтому здесь естественным является использование КВЧ диапазона длин волн В работе показано, что по совокупности требований диагностику БПП в газодинамике также рационально осуществлять в КВЧ диапазоне В расходометрии многофазных потоков этот диапазон также имеет ряд преимуществ по сравнению с другими участками спектра В частности, малость длины зондирующей волны по сравнению с диаметром трубопровода позволяет формировать узкие волновые пучки и реализовать открытые резонаторы сверхкритических размеров

Таким образом, именно полевые носители диагностической информации и именно в КВЧ диапазоне частот открывают возможность наилучшего решения проблем диагностики Задача работы - найти, исследовать и разработать технические и методические средства для реализации этой возможности

Выбор класса радиотехнических устройств. В избранном диапазоне частот (КВЧ диапазон) и с избранным носителем информации (электромагнитными волнами) радиотехника работает с помощью различных устройств -волноводных, резонансных и излучающих (антенн) На выбор класса этих устройств повлияли следующие условия и ограничения> требования бесконтактность взаимодействия, многокомпонентность исследуемых сред, высокое пространственное и временное разрешение, условия эксплуатации, технологичность и стоимость,

> возможность создания зондирующих устройств (ЗУ) с минимальными отражениями и рассеянием при достаточно малых потерях,

> возможность формирования многомодового характера зондирующих волн с различной степенью их пространственной локализации,

> пространственно ограниченная область диагностируемых процессов, возможность организации волновых образований ограниченных поперечных размеров (в частности, со свойствами волновых пучков)

С учетом перечисленных условий, ограничений и требований сделан выбор в диагностике БПП наиболее рационально применение класса открытых линий передач (ЛП) и класса открытых колебательных систем (КС).

Научно-технический задел предшественников Основы теории открытых структур заложены Б 3 Капенеленбаумом и Л А Вайнштейном, они в течение десятилетий активно развивались школами трех ИРЭ1 АН СССР, МЭИ и АН УССР, а также десятками групп и отдельных исследователей2

Физика и техника диэлектрических волноводов (ДВ) развивалась под руководством В Ф Взятышева на кафедрах Основ радиотехники и Конструирования и производства радиоаппаратуры МЭИ совместно с Б И Рябовым, Г Д Рожковым, Г П Раевским, Б А Рябовым, С Е Банковым Вопросы дифракции и излучения нерегулярных волнсводных и диэлектрических структур, в том числе нерегулярностей ДВ - в работах А С. Ильинского, Е И Нефедова, В В Шевченко, Е Н Васильева, Л Н Дерюгина и др Электродинамические методы анализа ДВ развивались Г И Веселовым, С Б Раевским

Весомый вклад в развитие теории пучковых образований («квазиоптики») наряду с зарубежными учеными (Губо, Фокс и Ли и мн др) внесли Л А Вайнштейн, Б 3 Каценеленбаум, А С Ильинский, В П Шестопалов и др

Эта научная база явилась фундаментом данной работы А ее автор, начавший свою научную деятельность в начале 1970-х, все эти годы также участвовал в становлении и развитии физики и техники открытых систем

Постановку комплексной задачи необходимо начина гь с формирования и оптимизация физического принципа (ФП) - совокупности явлений, имеющих место в процессе диагностики Именно множество возможных вариантов ФП и их сопоставление по совокупности ПК являются адекватной научной базой поиска и создания принципиально новых устройств и способов диагностики

Итак, актуальность и важность проблем повышения качества диагностики БПП требуют системной постановки радиотехнических задач на качественно

' Следует заметить что ИРЭ МЭИ появилось только в 21-м веке

2 Только в межвузовской комплексной прогоамме «СВЧ» (1979-1988гг ), решающей комплексные проблемы диэлектрических волноводов (ДВ), участвовало 37 научных груш и лабораторий

б

новом уровне И начинать при этом нужно с анализа совокупности явлений и организации такого их взаимодействия, которое при разумном выборе обликов и параметров явлений обеспечит эффективный синтез методов и устройств диагностики в рассматриваемом классе прикладных задач

Цель диссертационной работы - решение актуальной научно-технической проблемы разработки и реализации в промышленных технологиях класса КВЧ устройств для эффективной передачи, извлечения и приема информации в процессе диагностики быстропротекающих процессов, происходящих на малых расстояниях в ограниченной пространственной области

В соответствии с результатами системного анализа к структурирования общей цели, а также в ходе проектно-исследовательского поиска путей ее достижения в работе поставлены и решены следующие задачи

1 Исследование и разработка открытых волноводных и резонансных КВЧ устройств, потенциально пригодных для эффективной передачи, извлечения и приема информации в процессах бесконтактной диагностики

2 Развитие физики и технологии диэлектрических волноводов (ДВ) и диэлектрических интегральных схем (ДИС) для диагностических применений

3 1 Синтез физического принципа (ФП) диагностики и системы разрабатываемых устройств, реализующих его с помощью взаимодействующих полевых, сигнальных и диагностируемых явлений и процессов

3.2 Поиск обликов и исследование специфических КВЧ устройств, необходимых для высококачественной реализации набора функций ФП

3 3 Разработка открытых диагностических устройств и систем и их реализация в отраслевых технологиях газодинамических исследований

4 Поиск явлений и синтез ФП многофазной расходометрии, разработка многомодовых устройств на основе взаимодействия многокомпонентных газожидкостных потоков с многоволновыми колебаниями открытых резонаторов, реализация их в промышленных технологиях газодобычи

Научная новизна диссертационной работы В диссертации с единых позиций рассмотрены и в значительной степени решены важные новые задачи

исследования волновых явлений и колебаний в классе открытых волноводных и резонансных структур и разработки на этой основе устройств и систем диагностики объектов в ограниченной пространственной области на малых расстояниях Их научная новизна заключается в следующем

1 Получены новые сведения о параметрах распределенной связи (РС) волн ДВ в широком диапазоне их обликов и параметров, а также волн в системах таких ДВ Предложены, исследованы и реализованы оригинальные фазо-метрические и поляризационные устройства на ДВ для стендовой диагностики

2 Исследованы волновые характеристики и РС волн в элементах ДИС объемного формообразования На этой основе предложен и реализован ряд оригинальных устройств диагностики и создана технология изготовления ДИС

3 Впервые разработан универсальный интерферометр КВЧ диапазона на ДИС Спроектирована и реализована серия интерферометров для диагностики пареметров плазмы и газодинамических процессов (ГДП)

4 Сформирована новая концепция и основы физической теории зондирующих устройств (ЗУ) для формирования зондирующих волновых образований (ЗВО) и волновых пучков (ВП) в процессе диагностики БПП

> синтезирован, развит и реализован физический принцип (ФП) радиоинтерферометрии (РИ), построенный на совокупности взаимодействующих полевых, сигнальных и газодинамических процессов,

> исследованы явления многомодового возбуждения и преобразования волн и волновых пучков в нерегулярных структурах Предложены и реализованы новые принципы работы ЗУ на ДВ и волновых пучках

5 Развиты принципы и методология диагностики БПП с помощью специальным образом создаваемых волновых образований Они обеспечивают измерение перемещений и скоростей объектов диагностики с относительными погрешностями 10"4 и Ю"3 соответственно, что на два порядка лучше известных результатов

6 Предложен новый способ расходометрии, основанный на оригинальной организации взаимодействия неоднородных газожидкостных потоков со

спектром колебаний открытых сверхразмерных резонаторов (ОСР) Способ реализован в защищенных патентами промышленных технологиях

Новизна научно обоснованных и впервые разработанных в диссертации новых технических и технологических решений подтверждена 24 авторскими свидетельствами и патентами на изобретения Цикл работ по теории и технике диэлектрических интегральных схем, выполненных в соавторстве, в 1990 г удостоен премии Ленинского Комсомола

Практическая ценность диссертационной работы Исследования совокупности волновых явлений в открытых структурах и в «функционально ограниченном» пространстве, обликов, свойств и папамет-ров этих структур, а также разработанные на этой основе КВЧ устройства практически обеспечили качественно новый уровень диагностики

1. На базе полученного в работе комплекса знаний об адекватной задачам группе явлений (распределенная связь ДВ, высокодобротный резонанс в дисковых диэлектрических резонаторах (ДДР) и резонаторах Фабри-Перо, спектр колебаний в ОСР, волновые образования и волновые пучки в открытых структурах) созданы средства и методы диагностики для рассмотренных прикладных задач В частности, с непосредственным участием автора уже разработаны

• стенды измерения 8,8 диэлектриков и взрывчатых составов (ВС) на основе ДДР и ОР,

• стендовые интерферометры на основе ДВ для неразрушающего контроля обтекателей антенн и радиопрозрачной теплозащиты,

• серия бортовых интерферометров/рефлектометров на основе ДИС для диагностики плазмы;

• интерферометры для полигонных исследований газодинамических взрывных процессов,

• класс зондирующих устройств (волноводно-пучковых преобразователей) на основе ДВ и открытых квазиоптических устройств,

• многофазные расходомеры на основе ОСР

2 Разработанные средства и методы позволили исследовать различные типы теплозащиты и конструкций ЛА при их высокотемпературном скоростном нагреве, решить задачу бортовой диагностики плазмы

3 Развитые в работе средства и методы радиоинтерферометрии (РИ) обеспечили качественно новый уровень диагностики с точностями измерения положений и скоростей фронтов ГДП, близкими к предельно возможным

4 Созданные комплексы и методы РИ, не имеющие аналогов в мировой практике, явились инструментарием для широкомасштабных фундаментальных и прикладных работ по исследованию закономерностей газодинамики взрывных процессов в Российских Федеральных Ядерных Центрах

5 Впервые созданные научно-методические основы многофазной расхо-дометрии газоконденсатных месторождений реализованы в уникальных промышленных технологиях газодобычи и внедрены на ряде месторождений

Достоверность полученных результатов. Научные положения, результаты и выводы диссертации достаточно аргументированы и обоснованы благодаря следующим ее особенностям и качествам

• в работе корректно применены проверенные и достоверные электродинамические и экспериментальные методы исследования,

• устройства и системы диагностики, построенные на основе результатов проведенных исследований и разработок, прошли циклы испытаний и метрологическую сертификацию,

• многие устройства и приборы прошли промышленную эксплуатацию

Все это не оставляет сомнения в достоверности сформулированных в

диссертации положений, выводов и рекомендаций

Личный вклад. Все изложенные в диссертации научные положения предложены и обоснованы, а выводы и рекомендации сформулированы лично соискателем В большинстве совместных публикаций соискателю принадлежит основная роль Описанные в диссертации научно обоснованные технические решения разработаны при определяющем участии автора и под его руково-

дством. Конкретный вклад автора в результаты диссертации и в совместные публикации оценен в Заключении организации, где выполнялась работа

Апробация работы. Результаты диссертации докладывались и обсуждались на более чем двух десятках международных, всесоюзных и всероссийских симпозиумов и конференций Вот их список. Всесоюзная сессия НТОРЭС им А С Попова (Москва, 1974), Всесоюзный симпозиум по приборам, технике мм волн (Москва, 1976), II и III Всесоюзные симпозиумы по мм и субмм волнам (Харьков, 1978, Горький, 1980), XV Всесоюзная научно-техническая конференции по радиоприемным устройствам (Ленинград, 1985), Всесоюзные научно-технические конференции «Проектирование и применение радиоэлектронных устройств на диэлектрических волноводах и резонаторах» (Саратов, 1983, Тбилиси, 1988), Международные симпозиумы «Миллиметровые волны в медицине и биологии» (Москва, 1991 и 1995), Международный симпозиум 18МАКТ'93 (Эйлаг, Израиль, 1993), 11 Международный симпозиум по электротерапии (Колумбийский университет, Нью-Йорк. 1995), 1-ый Международный конгресс «Новые высокие технологии для нефтегазовой промышленности и энергетики будущего» (Тюмень, 1996), XX Всемирный газовый конгресс (Копенгаген, 1997), XI Международная конференция «СВЧ техника и телекоммуникационные технологии» (Севастополь, 2001), Общероссийская конференция «25-летие Тюменской научно-производственной школы расходометрии» (Тюмень, 2003), 111, IV и V Международные научно-технические конференции «Физика и технические приложения волновых процессов» (Волгоград, 2004, Н Новгород, 2005, Самара, 2006); Международные конференции «Экстремальные состояния вещества Детонация Ударные волны» - VII и IX Харитоновские тематические научные чтения (Саров, 2005 и 2007), Международная конференция «Актуальные проблемы радиофизики «АПР-2006» (Томск, 2006), Московский Электромагнитный семинар им Я Н Фельда (Москва, 2007)

На защиту выносится следующая совокупность научных положений

1 Результаты исследования принципов работы, обликов и свойств поляризационных и фазометрических устройств на гибких диэлектрических волноводах (ДВ), их реализация в средствах стендовой диагностики

2 Принципы построения диэлектрических интегральных схем (ДИС) на основе ДВ объемного формообразования, свойства их элементов и защищенная патентами технология их изготовления Создание на этой базе класса универсальных устройств бесконтактной диагностики

3 Концепция и основы физической теории зондирующих устройств (ЗУ) и волноводно-пучковых преооразователсп (ВПП) для формирования зондирующих волновых образований (ЗВО) и волновых пучков в диагностике БПП

> физический принцип РИ в совокупности взаимодействующих полевых,

сигнальных и диагностируемых (газодинамических) процессов,

> принципы работы ЗУ и ВПП на ДВ, на их системах и на лучеводах,

> облики ЗУ для диагностики газодинамических взрывных процессов

4 Совокупность развитых методов и средств РИ, обеспечивших измерение перемещений и скоростей диагностируемых объектов с относительными погрешностями 10"4 и 10'3 соответственно, а в перспективе - также и исследование пространственных свойств фронтов БПП

5 Способ и устройства расходометрии на основе специальной организации взаимодействия неоднородных газожидкостных потоков с многоволновыми колебаниями открытых сверхразмерных резонаторов

6 Новые технические решения и разработки промышленной аппаратуры, обеспечивающие выполнение задач борювой диагностики плазмы, газодинамических исследований в Российских Федеральных Ядерных Центрах, диагностики и расходометрии газоконденсатных потоков

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 229 наименований, 3 приложений и 11 документов внедрения результатов работы Объем диссертации составляет 314 страниц, включая 263 страницы основного текста. 79 рисунков и 18 таблиц

12

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении аргументирована актуальность решаемой в диссертации проблемы, обоснованы характер работы и система применяемых методов Сюда включаются признание императива междисциплинарности, повышенное внимание к исследованию совокупности явлений во взаимодействии с диагностируемыми объектами и к синтезу физических принципов (ФП) диагностики, а также к исследованию, поиску и синтезу новых обликов устройств Сформулированы цель и задачи работы, а также основные положения, выносимые на защиту Оценены научная новизна и практическое значение работы,

В первой главе приведен анализ особенностей прикладных задач, постановка задач исследований и стратегия поиска ключевых проектных решений

В газодинамике взрывных процессов предметом исследования являются перемещения фронтов ударных и детонационных волн в образцах взрывчатых составов, перемещения пластин и ударников в ствольных системах Диапазон скоростей диагностируемых процессов — от 10"' до 104 м/с

В диагностике пристеночной плазмы требуется учет влияния на процессы плазмообразования конструктивных особенностей ЛА и процессов в теплозащите В частности, высокоскоростного нагрева, градиента температур в объеме, деструкции материала, обгара и уноса его поверхностных слоев,

В расходометрии продуктов газодобычи требуется определение покомпонентного (газ-конденсат-вода) и интегрального дебита скважин в реальном масштабе времени Многокомпонентность и нестационарность потоков, разнообразие происходящих в них процессов объясняют отсутствие до настоящего времени эффективных методов и устройств непрерывного мониторинга дебита Обосновано использование во всех трех классах задач полевых методов, извлекающих информацию из результатов взаимодействия специально сформированных волновых процессов с объектами диагностики Показано, что полевые методы диагностики, обеспечивающие требуемые бесконтактность, пространственно-временное разрешение, прозрачность исследуемых сред во всех рассматриваемых классах комплексных прикладных задач могут быть успешно реализованы именно при использовании КВЧ диапазона

Обоснована целесообразность применения для эффективной аппаратурной реализации методов диагностики элементной базы открытых волновод-ных и резонансных КВЧ устройств Это обусловило необходимость исследования набора таких структур и физики происходящих в них волновых процессов

В работе учтено, что анализ названных задач и последующий синтез необходимых для их решения радиотехнических устройств тесно переплетены с научными проблемами внешних по отношению к радиотехнике наук от отраслей - заказчиков. Эта особенность постановки диссертационного исследования, существенно сказалась на его методологии Обобщенная структура и модель инновационной деятельности приведена в Приложении 3 Модель определила пространство методов и проблемных задач, выбор структуры процедур и этапов, а также специальную итеративную организацию исследований, развивающуюся по мере выявления физической природы объектов исследований и проектирования, последовательного уточнения требований

Центральной задачей постановки работы явился синтез физического принципа (ФП) диагностики Физический принцип диагностики - это совокупность явлений и процессов, взаимодействие которых при разумном выборе их обликов и параметров обеспечит возможность проектирования эффективно функционирующей системы и успешное достижение целей [1]

Последовательность явлений, входящих в ФП, показана на рис 1

Рис 1 Структура процессов ФП

Ограниченность пространства взаимодейсгвия ЗВП с объектами диагностики - размерами в единицы (десятки единиц) длин волн - приводит к сущест-

венному отличию необходимых для нашей задачи ВП от плоских волн, что требует корректного и адекватного анализа свойств этих ВП [2]

Таким образом, основной предпосылкой исследования и развития физики и техники открытых волноводных и резонансных КВЧ устройств диагностики является целенаправленное формирование как сигнальных, так и полевых процессов в их совокупности и во взаимодействии с диагностируемыми объектами (процессами) [1, 2] В свою очередь, структура ФП определяет выбор соответствующих специфике задачи средств РИ и целесообразные методы обработки сигналов Адекватность модели ФП реальным задачам - залог эффективности проектируемых для их решения устройств [3]

Выделены три основные группы функциональных электродинамических устройств (обработка информации в работе не рассматривается, поскольку ей занимались другие участники междисциплинарного коллектива)

• волновые блоки приемо-передающих устройств (интерферометры), совместно обрабатывающие зондирующий волновой сигнал (ЗВС) от передатчика и информационный волновой сигнал (ИВС) от объекта,

• зондирующие устройства с облучателями, осуществляющие передачу ЗВС, его преобразование в зондирующее волновое поле (ЗВП), прием ИВП, его преобразование в ИВС и их доставку в интерферометр,

• колебательные системы, формирующие требуемый для эффективного взаимодействия с объектом диагностики спектр типов колебаний

Детализирован выбор для выполнения этих функций открытых электродинамических структур диэлектрических волноводов (ДВ), диэлектрических интегральных схем (ДИС), устройств с пучковыми волновыми образованиями (лучеводов и фокусирующих устройств), открытых резонаторов (в первую очередь, сверхразмерных) Выделены классы волновых явлений и процессов, подлежащих углубленному исследованию Система связей классов волновых явлений с реализующими их видами КВЧ устройств, требующихся в прикладных задачах, показана в таблице 1

Таблица 1 Структура объектов исследования

Устройства, основанные на волновых явлениях в ДВ

Явления Виды КВЧ устройств Прикладные задачи

Распределенная связь ортогональных по поляризации собственных волн одного ДВ Поляризаторы, вращающиеся сочленения, фазовращатели, излучатели круговой и управляемой поляризации Защищены 4 патентами Стендовая диагностика состояния теплозащиты на установках ЖРД

Распределенная связь рабочих волн в двух и трех близкорасположенных ДВ Многоплечие узлы, рефлектометры, интерферометры Защищены патентом Неразрушаюший контроль теплозащиты Диагностика ГДП

Распространение, затухание, распределенная связь и преобразование волн в волноведущих элементах ДИС Элементы ДИС приемопередатчиков и интерферометров ответвители аттенюаторы, вентили, переходы Защищены 9 патентами Бортовая диагностика (4 рефлектометра МБМА) Диагностика ГДП (интерферометр МБИМ-8 измеритель 8,ВС)

Устройства, основанные на явлениях многоволновости и преобразования волноводных волн в пучки

Явления Виды КВЧ устройств Прикладные задачи

Возбуждение одновременно нескольких типов волн в стержневом образце Зондирующие устройства для стержневых образцов взрывчатого состава (ВС) Два патента и заявка Диагностика ударных и детонационных волн ] в образцах ВС стержневой формы

Возбуждение спектра волн в сверхразмерном металлическом волноводе ЗУ для многомодовых диагностируемых объемов Диагностика процессов метания пластан в ствольных системах

Возбуждение волновых образований и волновых пучков в ограниченном пространстве ЗУ в виде зеркальных возбудителей волновых пучков, лучеводов, торцов пучка ДВ и планарных ДВ Две заявки на патенты Параметрическая диагностика ГДП предельной точности Диагностика обликов ГДП

Устройства, основанные на явлениях пространственной локализации зондирующих волновых образований и их частотной дискриминации

Явления Виды КВЧ устройств Прикладные задали

Возбуждение сразу нескольких волновых образований в диагностируемом объеме Открытые сверхразмерные резонаторы Многоэлементные возбуждающие системы связи с дискриминацией по типу волновых образований Частотные системы раздельного измерения параметров возбуждаемых волновых образований Три патента Диагностика многокомпонентные потоков газожидкостной смеси Диагностика распределения компонентов по сечению потока Измерители интегрального и покомпонентного расхода газоконденсат-ных потоков в реальном времени

Различие пространственных обликов полей волновых образований

Дискриминация волновых образований разных типов по пространственным обликам

Показано, что многомодовость (наличие многих волн и колебаний с различными распределениями и скоростями распространения) является важным обобщающим свойством этих явлений, одним из связующих признаков системной логики работы Центральное место этого свойств в данной работе определяется как природой открытых волноводных и резонаторных структур, так и условиями взаимодействия с объектом диагностики (динамика процесса в ограниченной пространственной области, многокомпонентность сред)

Подчеркнем многомодовость является в нашей работе полезным свойством3 Заимствованное из традиционной СВЧ техники пренебрежение этим явлением (и/или опасение его) в работах предшественников - одна из причин отсутствия качественного движения в радиотехнических методах диагностики БПП Именно многомодовость волновых образований, как показано в диссертации, обеспечивает и новые потенциальные возможности - проведения многопараметрической и, в перспективе, обликовой диагностики БПП [1,4-8]

Сформулирована гипотеза существования «идеального облика зондирующею поля», оптимизирующего ФП диагностики Гипотеза основана на следующем предположении в ситуациях, когда фронт ГДП имеет однородный продольный профиль и квадратичную кривизну поверхности, существуют облики ЗВП с таким распределение амплитуд и фаз в области движущегося фронта ДТП, при котором эффективный коэффициент отражения 11Эфф на входе ЗУ близок к глобального максимуму И.™ - коэффициенту отражения плоской волны от плоского фронта ГДП с тем же профилем

Увеличение «энергетической эффективности» - не единственное, и даже не главное достоинство «идеального» облика ЗУ Оказалось, что именно «идеальный» режим работы системы ЗУ-ГДП обеспечивает наивысшее качество интерферограмм и резко повышает точность измерений

В ходе исследований намечены пути реализации идеальных обликов ЗВП - согласованность ИВП и ЗВП на входе ЗУ Близкими к идеальным свойствами обладают следующие виды волновых образований поля собственных волн в ДВ, дифракционные поля вблизи диэлектрических облучателей (ДО)

3 В большинстве работ многомодовость считается вредной, с ней борются Развиваемое в работе представтсние о волновых пучках - это, по сути, интерпретация многомодовых волновых процессов

17

(окончаний ДВ), в частности, внутри сверхразмерных металлических волноводов, гауссовы ВП в свободном пространстве

Детальному исследованию выделенного класса пучковых волновых образований, выявлению их роли в формировании комплексного качества диагностики, созданию на этой базе обликов и разработке КВЧ устройств диагностики БПП посвящены последующие главы работы

Во второй главе описаны исследования волновых явлений в открытых и интегральных ДВ (ИДВ) Предметом исследования является элементная база таких устройств открытые ДВ, ДВ на металлической подложке и ДВ на диэлектрической подложке Получены дисперсионные характеристики перечисленных вариантов обликов ДВ и характеристики распределенной связи (PC) волн в системе ДВ и ортогонально поляризованных волн в одном ДВ

Знание свойств и параметров связи ортогональных волн ДВ позволило детально описать и проанализировать явления преобразования поляризации волн в ДВ Установлено, что определяющий эту связь поляризационный параметр р = A<f/A, где разность замедлений ортогональных волн ДВ, имеет плавную экстремальную частотную зависимость p(f) Детальное исследование этого явления стало возможным благодаря предложенному экспериментальному методу определения зависимости pif}, основанному на попутном взаимодействии волн ДВ [18], а также полученному методом малых возмущений аналитическому соотношению для волн слабоэллиптического ДВ [19]

Введение поляризационного параметра р = / , где S - площадь

/ -V О А

сечения ДВ, а - максимальный размер сечения, позволило обобщить поляризационные и частотные свойства ДВ различных форм сечения Это дало возможность выбирать при проектировании устройств технологически удобную форму сечения ДВ Получены соотношения для определения оптимальных параметров широкополосных устройств в экстремальной области p(f) [20, 21] (их погрешность менее 2% в области форматов Ф -а!в - 1,25-3,0 и значений г = 2-4)

^=1,06^-1) рт = 0,77 - 1

р

а

Полученные знания позволили разработать ряд широкополосных поляризационных устройств, защищенных авторскими свидетельствами [22-25] На основе знаний о явлении РС в системах открытых ДВ разработан ряд стендовых устройств диагностики, в первую очередь, интерферометров и предложена оригинальная схема на основе двойного направленного ответвителя [26]

Для выполнения специфических эксплуатационных требований бортовой диагностики описанные методы и средства распространены на технологию интегральных ДВ и ДИС объемного формообразования Проведены анализ, многокритериальное сопоставление и выбор обликов4 ИДВ (рис 2) Для учета неоднородности внешней среды разработаны адекватные методы расчета и оригинальная резонансная методика экспериментального исследования (рис 3)

Установлены основные закономерности волновых явлений в ИДВ В частности, показано, что понятие критической частоты становится в ИДВ нечетким высшие типы волн наблюдаются и в области частот ниже критической, они плавно переходят в вытекающие, где их фазовая скорость превышает скорость плоской волны (в среде из материала подложки), величина их затухания при переходе через [кр возрастает на порядки медленнее, чем затухание закри-тических волн в закрытых волноводах При разработке ДИС с малыми габари-

4 В дассетации приведены результаты автора работы по исстедованию характеристик ИДВ на дизтектрлче-ской подложке Исследования ИДВ на металлической подложке (рис 2,6) проведены Б А Рябовым в МЭИ

]

ния диэлектрических интегральных схем объемного формообразования

Рис 3 К анализу результатов расчетов и измерений характеристик ИДВ

тами и значительным количеством нерегулярных элементов влияние этой особенности трудно переоценить Проведенные исследования служат основой для разработки и проектирования ДИС на диэлектрической подложке [26-29, 35]

Большое внимание уделено исследованию явления РС, играющего важную роль в формировании технологических обликов элементов ДИС Исследована зависимость линейного коэффициента связи (ЛКС) от расстояния между ДВ Эта функция, хорошо изученная для обычных ДВ

Рис 4 Сечение ДИС (Б И Рябов Расчет и принципы построения

на участке связи , -т-, ,

функциональных узлов на связанных ДВ автореф дис

канд техн наук 05 12 04 -М МЭИ, 1970 - 20 с), неизвестна для ИДВ РС ИДВ (рис 4) изучалась по резонаторной методике - через замедления пары собственных волн системы ИДВ £УЧ, £/неч и пересчет результатов в ЛКС по формуле С = *Д(1Угч — ^¡неч) Установлено, что зависимости С' = С с хорошей

точностью описываются функцией С" = С^ е~к°й, где С'0 - ЖС при нулевом расстоянии между ДВ, кс - внешнее поперечное волновое число

Создана также методика для определения С'„ и кс расчетным путем Значения С'0 рассчитывались из дисперсионных характеристик четной и нечетной волн ДВ удвоенной ширины, значения кх получались из характеристик одиночного ИДВ Установлено, что достаточно близкое совпадение экспериментальных и расчетных данных имеет место во всем рабочем частотном диапазоне Эти результаты служат основой для проектирования ДИС с РС

В ряде применений функциональные узлы с РС желательно делать регулируемыми В работе предложен и исследован способ регулировки, заключающийся в перемещении между волноводами диэлектрической пластины Один из способов создания регулируемой связи в направленных ответвителях (НО) реализован в оригинальных конструкциях НО и в переменном аттенюаторе [30-31] Реализация ДИС потребовала решения ряда технологических задач, в первую очередь, создания новых диэлектрических материалов с заданными свойствами Эти разработки проведены в замкнутом цикле экспериментальные

исследования ИДВ - физический анализ закономерностей поведения ИДВ -расчеты их характеристик - создание необходимых диэлектрических композиций - технология изготовления элементов ДИС [28, 32, 33].

Выбраны композиционные материалы на основе смеси мономера стирола и керамического наполнителя, имеющие требуемые параметры (е = 4-10, tg5 < КГ5). Разработаны два варианта серийно способной технологии изготовления ДИС на основе предложенных оригинальных способов, защищенных авторскими свидетельствами [33-34]. Их особенностью является совмещение трех ста-

дии технологического процесса.

- Га-'- . • . '

. Получение диэлектрического

■ Ж,..; материалаволноведущейструктуры, ее

¡ГШ

Ни В формование и соединение с

I Идя

х"- металлической подложкой

Рис- 5. Примеры ДИС и технологиче- интегральной схемы осуществляются с кой оснастки для их изготовления

за один прием (примеры - см. рис. з). Развитая в работе технология серийного изготовления ДИС в сочетании с экспериментальными и приближенными теоретическими методами исследований позволили реализовать принципы создания ДИС в проектировании и внедрении целого ряда устройств диагностики [30-3!, 35-37].

Кроме пассивных элементов КВЧ ДИС, являющихся объектом исследования второй главы, автором разработаны генераторы, смесители и другие необходимые элементы ДИС. Для этого изучены и решены физико-технические вопросы включения таких элементов в ДИС. Значительные трудности встретились при согласование поля ИДВ, распределенного в объеме размером порядка X, с сосредоточенных токами таких элементов (прямое включение в силу резкого их различия приводит к возникновению больших потерь на излучение),

В работе развит Гибридный принцип построения устройств, когда пассивные узлы создаются по технологии ДИС. а активные элементы включаются в более подходящие ЛП: МИЛ. щелевую ЛП, МВ. Полученные при этом новые

технические и конструктивные решения защищены [36-37]3 Применение в ДИС планарных элементов (ПЭ) позволило реализовать новый класс устройств - вентиль, циркулятор, генераторные и смесительные модули [38-40] Обсуждены перспективы объединения ДИС объемного формообразования с планар-ными ДИС на основе диэлектрических щелевых волноводов (ДЩВ)4

Обобщение описанных во второй главе исследований ДВ и ИДВ и создание оригинальной технологии изготовления ДИС позволили сформулировать принципы построения и технологические решения базовых узлов и на этой основе - разработать ряд оригинальных КВЧ устройств различного назначения Среди них приемопередатчик на интегральных ДВ и ivfflJI, автодинный модуль, серия рефлектометров для бортовой диагностики плазмы, а также интерферометры для диагностики БПП, которые более 10 лет работают в РФЯЦ

Третья глава посвящена новому классу КВЧ устройств - зондирующим устройствам (ЗУ) или «волноводно-пучковым преобразователям» (ВПП) Их функция - формирования зондирующих волновых образований (ЗВО) и преобразование информационных волновых образований (ИВО) в информационный сигнал (ИС) радиоинтерферометра

Создание ЗУ потребовало изучения физики волновых процессов в различных обликах ЗУ и ЗВП, а также в различных средах их существования - в образцах ВС, эквивалентных открытым ДВ, в экспериментальных сборках ВС характеризующихся принципиально много-модовым режимом волновых процессов, в ствольных системах с метанием пластин Решена дифракционная электродинамическая задача (рис 6) дифракции

' Несовершенство патентного законодательства в СССР привело к тому, что R Knox через 10 лет после наших

первых работ полностью повторил наш!' решения в своем патенте

4 Концепция ДЩВ сформулирована и развита в работах С Е Банкова (см , например Диэлектрический целевой волновод - перспективная основа интегральных схем КВЧ диапазона // Ме>'<ведочств сб трудов - М МЭИ, ¡983 - № 19 - С 79-88) Наш вклад в ее развитие применительно к задачам диагностики описан в [4 И

22

>г

Ь

I П

НЕ,,-- 1 i К

L

Рис б Модель ДО - стыка экранированного ДВ с полым MB

на диэлектрическом облучателе (ДО) в виде окончания ДВ в металлической трубе - на модели стыка круглого экранированного ДВ с полым сверхразмерным металлическим волноводом (ЭДВ-ПМВ), - имитирующим ствольные газодинамические системы Методом частичных областей [9] определены спектры волн, отраженных в регулярный ЭДВ, прямых и обратных волн на нерегулярном участке ЭДВ и в полом МВ

В нашей задаче, в отличие от известных работ (см Г И Веселов, С Б Раевский Слоистые металло-диэлектрические волноводы / - М Радио и связь, 1988 - 246 с) потребовался учет значительного количества (до 100 и более) распространяющихся типов волн [10] Полагалось, что со стороны г = -оо из регулярной части ЭДВ I падает волна Н£„ Полное поле представляется • в волноводе / - в виде падающей НЕ„ и набора отраженных волн ЭДВ

• в волноводе, соответствующем г -й ступеньке, - в виде набора прямых и обратных собственных волн ЭДВ

• в волноводе II - в виде бесконечного набора Е - и Я- волн круглого МВ

где Сп, Вт - неизвестные постоянные коэффициенты (амплитуды

волн), Е[п, Я,ш, Е^, ЯУ„\ Ет, Я„ - векторные функции, описываю-

щие зависимость соответствующих волн от поперечных координат, ¡3{'\ , ¡5'^ - фазовые постоянные этих волн

Выражения для векторных функций и уравнения для определения фазовых постоянных волн ЭДВ приведены в [10] Из условия непрерывности тангенциальных полей на границах частичных областей получены матричные уравнения, позволяющие найти амплитудные коэффициенты С„, Вп, а

затем рассчитать полное поле в волноводе ¡1 и коэффициент отражения по мощности основной волны в волноводе 1 с,2 [9]. Это позволило получить за-

Ш

Й?

а ю

ÛQ-

н-.....4- .....ь- - ___ _____ ! ____

L ■ ■.........г.;;....... .....;..........

-------i--------

Нг- ............j

1

... ^ —' 4hJ

0 12 3-456 7 8 S U> 1'ис 7. Зависимость отраженной мощности от длины заострения ДО

itj Л? Ю > Т А.Г 6Щ - 1

ЭДг висим ости мощности полной отраженной

волны в ЭДВ (ряс Т) и плотности штока, мощности дифракционных полей по сечению ПМВ (рис. 8) от длины и формы окончания ДВ (торец, заострение, расширение).

Сравнение различных вариантов ДО показало: лучший показатель качества (ГЖ) по мощности отраженных волн имеет ДО с заострением длиной 2-3к, а лучший

■ К ______ „ . ПК по поперечному распределению интен-

. . ; ^ сивноети создаваемых волн имеет ДО с

расширением на конце ДВ. Противоречие проектной ситуации по отмеченным двум ПК должно решаться компромиссно в зависимости от конкретной задачи,

Описанный подход к анализу ДО и метод решения дифракционной задачи на модели стыка ЭДВ - ПМВ использованы также и при диагностике ударных и детонационных волн в больших образцах взрывчатых составов (ВС). Электродинамической моделью в этом случае также служит экранированная система с экраном достаточно больших размеров (рис. 9).

Основанием для такой тамеим является следующий факт численного эксперимента: при диаметрах ПМВ больше 40-50 мм (D/À >15)

AU

îjy tiy Sjy

НУ 2 J>L ] ui

L-TJ l^-iM iti

Рис. S. Распределение потока мощности uo сечению ПМВ

Рис. 9. Модель стыка ЭДВ с Запошеаным диэлектриком "MB

влиянием экрана на поле волнового пучка можно пренебречь [И, 5, 12],

1 Экстремумы в районе длин участка заострения ДВ 4 н S }, (рис. 7), по всей видимости, обусловлены ступсича-

ТОН . Г' заострения.

В частности, на рис 10 приведена зависимость модуля коэффициента от-

^с.г___ ___________^ ражения основной волны ДВ от диаметра

' ~" ~ " _ Н" . ПМВ, заполненного ВС с е2=6, при количест-' у»*™ I

| ве учитываемых в дифракционном базисе

-Я-'* I

__] волн ЭДВ 80 и 120 При изменении диаметра

2Ь мм во

Рис 10 Зависимость коэффициен- МВ от 40 мм до 65 мм наблюдается сходи-та отражения основной волны ЭДВ

от диаметра МВ мость квадрата коэффициента отражения к

значению, которое можно считать коэффициентом отражения для ДВ, расположенного в открытом пространстве

Решение рассмотренных электродинамических задач позволило также выработать важный критерий выбора облучателей ЗУ для ряда типовых газодинамических опытов - качество зависимости разности фаз интерферирующих сигналов от ЗВП и ИВП от расстояния до диагностируемого объекта На рис 11 показан пример такой характеристики, полученной описанным выше методом

1 1 \ 1 К 1 1 \ 1 \ 1

\ \ \ \ \ \ \ ч

ч \ \ \ N Ч ч ч

\ ■ N \ 1 \ 1 1 I 1 1

1-1-1-г-

\Г\

32 43

64 75 85 96 107 11? 12 8 П 9 149

Рис 11 Зависимость фазы суммарной обратной волны от перемещена отражателя при закороченном ПМВ [4, 10] Видно, что в соответствии с замыслом фаза меняется почти линейно на требуемом участке пролета объекта диагностики

Реализация выдвинутой в первой главе гипотезы об «идеальном облике зондирующих устройств» в максимальной степени обеспечивается формированием волновых пучков, близких к гауссовым волновым пучкам (ГВП), и возможностью коррекции фазового фронта пучка фазовыми корректорами (ФК), в том числе и криволинейной поверхностью диагностируемого фронта ГДП

В качестве удовлетворительного приближения к «идеальным» обликам ЗУ разработано и исследовано ЗУ с параболическим отражателем, обеспечивающее в окрестности фокуса ^ минимальный поперечный диаметр волнового пучка на уровне 0,5 максимальной интенсивности около 1,21 ЛЯ), где О -

Сро ИГ ДМГиЗСТнрусмо Г<

процесса (ШФ)

диаметр апертуры, г —расстояние от апертуры до фокуса Г, [13. 14]. Оптическая схема такого ЗУ, предназначенного для диагностики газодинамического

эксперимента, приведена па рис. 12. Подтверждены высокая энергетическая эффективность взаимодействия ЗВП с фронтом ГДП и высокое качество интерферограммы, близкое к идеальному случаю пространствецдш согласованности ИБП И ЗВП на входе ЗУ. Достигнута относительная аппаратурная погрешность 1О"3 - 10"'.

Дня получения а перспективе предельно возможных показателей качества необходимо детальное изучение фазовой скорости (ФС) волновых образований. Ведь отличие се от скорости света (точнее, от скорости однородных плоских волн 13 однородной среде) является основным фактором неопределенности в предельной точности метода. Па модельном примере волнового пучка в виде суммы двух однородных плоских воли с амплитудами Е/ и £_>, распространяющихся под углем 20 друг к другу [8], показана целесообразность и необходимость нового подхода к описанию фазовых свойств ВО - через векторное поле локальных фазовых скоростей (ЛФС) - К,, = и / %гаа(р),

Из легко получаемых соотношений для компонент градиента ф [К] имеем6

Рис. 12, Оптическая схема формирования ЗВП

а/р / Ж: - -

Амплитуда ЛФС определяется соотношением;

с1ф /с& = К..

а направление ЛФС:

вт = ■ ¡$(0) ■ [сое7(Кх ■ Л-) + ¿V -игг .

1 В представленных соотношении* - утаи межи;, водпоиммл векторами двух щфсетх волн, й - лоэффттси I Неси м метр и и, вводимый соотношениями -£(.Н' Д); Е,> ■ - Л).

Характер приведенных зависимостей Уф и 0ВО убеждает, что фазовая скорость волновых пучков не просто отличается от скорости света с Она - разная не только по величине, но и по направлению в разных областях пучка

Из сказанного ясно на результат диагностики влияют и пространственные зависимости ЛФС, и пространственные зависимости ее направления И их нужно знать - для реальных ВО, как это сделано в работе для модельного ВО Изучение пространственных распределений ЛФС, а также их влияния на интегральный фазовый набег - одно из главных направлений развития работы

Четвертая глава работы посвящена приложению знаний, полученных в предыдущих главах, для системной реализации физического принципа (ФП) в устройствах и методиках диагностики ГДП Рассмотрены все составляющие ФП, их аппаратное и методическое обеспечение, разработаны два поколения двухканальных квадратурных РИ - прямого детектирования на основе ДИС (МБИМ-08) и РИ с преобразованием частот (РИ-03) [1]

Исследования с использованием МБИМ-08 (первого поколения) выявили наличие существенной погрешности, вызванной влиянием паразитной амплитудной и фазовой модуляции интерферограммы, появляющейся в результате неоптимального взаимодействия ЗВП с диагностируемым процессом, а также аддитивного шума и недостаточного динамического диапазона амплитудных детекторов Определены потребность и возможность устранения (компенсации) этого влияния методами цифровой обработки радиосигналов и изменением схемного решения РИ [3]

В варианте РИ-03 (второго поколения) предложено и реализовано проектное решение с использованием высокостабильного кварцевого генератора с системой ФАПЧ и последующим многократным умножением частот на ЛПД (это решение запатентовано и применено в ряде диагностических приборов [15, 48, 49]) В результаае резко снижен уровень шумов вблизи рабочей частоты до -70 дБ/Гц при отстройке 10 кГц при уровнях выходной мощности на частоте 100 ГГв до 200 мВт, что соответствует лучшим зарубежным аналогам

На основе данных газодинамики сформированы представления о динамических свойствах диагностируемых процессов и возможных формах их фронтов. Развиты модели ГДП, определяющие размеры областей взаимодействуя ЗВО с ГДП, количество диагностируемых фронтов, их форму и свойства [3, 7].

Исследованные п/или разработанные типы ЗВО, реализованные варианты эффективных зондирующих устройств для разнообразных газодинамических экспериментов сведены в таблицу 2 [I, 7, 8, 10, 12, 14]. При их оптимизации предложены и реализованы следующие критерии выбора.

Для ЗБО в виде собственных волн, направляемых ДВ (п.!, табл.2) - эффективное и максимально чистое возбуждение требуемых типов волн, распространяющихся в прутке ВС как в диэлектрическом волноводе.

Для ЗВО. формируемых диэлектрическим облучателем (ДОсвепхраз-мерных волноведущих структурах (п.2-5з, 6а, табл.2) ■ минимальный коэффициент отражения от ДО, требуемая концентрация потока мощности ЗВО и линейность зависимости Лср (ЗВО-ИВО) в диагностируемой области,

Для ЗВО в виде волновых пучков (п. 5а, 6а. табл. 2) - согласованность пространственных свойств ЗВО и ИВО на апертуре ЗУ, согласованность фазового фронта ЗВО с фронтом ДО в диапазоне продольных перемещений ДО

Показано, что итоговым облвковым критерием качества следует считать приближение интерферограммы к виду, реализуемому при одноволповом режиме. Он наглядно определяется обликом ее годографа (кривой, описываемом концом радиуса-вектора по сигналам квадратурных каналов РИ) (рис. 13).

Таблица 2

Пространство тиков ГДП, ЗВО и моделей

Кай

Модели зондирующих устройств

Схема газодинамического ¿г.ыта

Детона ци онкые , волны в образцах ВС с формой пруп(а

Детонационные волны в цилинд-, рически* образцах ВС в том числе и многослойных

Собственные &олньг Д8

Дифракционные волны в саерхрэз-мерномволноводе

дв 5

Детонационные и ударные волны в образцах ЕС при ударно-волновом инициировании

04

Дифракционные аолны в сверхразмерном волноводе

\

аепуч(гт»т,у

Ударное слотке дмзпектрических материалов

Дифракционые волны в сверхразмерном волноводе

а)

Дифракционные йолиы э сверхразмерном волноводе

. . I

Линзе

Еоа

1 Р1Л 1—■^

[5

\ У

)

Метание пластин

б)

Волновой пучок в ограниченном диагностируемом пространстве

I-

* р^дис^мт^рфв^мвто'у

Движение ударника

а)

Д ифракци о н н ые волны в сверхразмерном волноводе

б).

э ствольной сис- Вол но в ой пучо* ® теме ограниченном

д и агност ирув м ом Пространстве

I V

Вот характерные результаты, иллюстрирующие использование одномо-довых и многомодовых режимов зондирующих волновых образований На рис 13 приведен годограф интерферограммы, а на рис 14 - ее спектр, полученные при диагностике детонационных волн в прутке ВС в одномодовом режиме (п 1, табл 2) Именно в этом случае достигнута рекордная (аппаратурная7) точность измерения скорости детонационной волны - погрешность 5У = 6 10° в 95% доверительном интервале (Р = 0,95) Возбуждение трех типов волн ДВ в прутке ВС обеспечило возможность проведения двухпараметрической и обликовой диагностики фронта детонационный волны [1, 7]

При диагностике движения ударника в стволе применение волнового пучка с фокусировкой в середине области диагностики Ь (п 66, табл 2) также позволило достичь высокого качества диагностики На участке Ь достигнута аппаратурная погрешность меньше 10"2 (при Р = 0,95)

Обобщенные оценки качества диагностики ГДП с использованием предложенных принципов формирования ЗВО приведены в таблице 3 [1,7]

Таблица 3 Обобщенные оценки качества диагностики газодинамических процессов

Тип газодинамического опыта Измеряемые параметры Достигнутые аппаратурные | Примечание погрешности I

Метание пластин X(t), V(t) 5X = 0,0i %, 6V= 1,0% Отсчеты мгновенных значений перемещений и скоростей соответствуют периоду дискретизации сигнала 8 Ю"|0с 1

Детонация в гонком стержне V(t) SV = 0,5 %

Переход УВ в Д\~ Ш V(t) ДТ, ДХ перехода SX = 0,01 %,SV = 0,5 % ДТ = ±MV (0,3 мкс) ДХ= 13 MM

Движение ударника в ствочьных системах X(t), V(t) aft) SX = 0,01%, SV = 1,0% 5a = 10%

Ударные волны во фторопласте X(t), V(t) Хэкр(0, V3Kp(t) ^сжатого фторопласта 5V = 2,0 % s = 2 7±0,l

Пятая глава посвящена исследованию явлений пространственной локализации волновых образований в форме вынужденных колебаний открытого сверхразмерного резонатора (ОСР) и реализации на этой основе ФП и уст-

В этом результате остается неопределенность знания скорости реализованных волновых образований

ройств диагностики газожидкостных потоков (ГЖП) в технологии газодобычи Требование «бесконтактности» предопределило необходимость использования в качестве открытого резонатора непосредственно час-г ти трубопровода (см рис 15) Вместе с тем обоснован-з ность использования КВЧ диапазона и соотношение характерных диаметров трубопровода к длине волны (О » X) заставили (и позволили) применить многомо-довый режим ОСР [6, 16, 17] Рис 15 Облик открыто- Принципиальная особенность предложенного

го резонатора ФП диагностики потоков - реализация избирательного

возбуждения в ОСР резонансных колебаний, имеющих разную пространственную структуру поля Именно это обеспечило возможность диагностировать пространственное распределение неоднородного потока

В главе описаны структура и составляющие ФП диагностики ГЖП Многообразие видов потоков и невозможность их аналитического описания в общем виде потребовало специальных мер для нормализации структуры потока (эта часть прикладной работы выполнялась в соавторстве) Далее на основе известного соотношения Клаузиуса-Мосотти, связывающего микроскопические параметры веществ с макроскопическими (е и плотность р), получены соотношения зависимости £ смеси от г составляющих компонент (газа, конденсата, воды) и соотношения для сдвигов частот резонатора при его частичном заполнении конденсатом (Д^-То), водой (ДГгЯс) и газом (ДГ3ЯЬ)

д/, зГ ^-1^1

/с 2{е,+2)

С,.

«'Л

л

{в7)г+(ег)'

с

>

А/з = 1 , /о 2

,-1)

Рот рТ

Раздельное измерение сдвигов Д^, ДГ2 и обеспечивает возможность определять С1 и С2 - объемное содержание жидких компонент потока [43]

С другой стороны, существенно различная пространственная локализация полей собственных колебаний (СК) открытого резонатора обеспечивает возможность диагностирования среды его заполнения по кольцевым областям сечения резонатора Такая возможность реализована с помощью модово-

избирательного возбуждения СК, предложенного ИН Москалевым (Диагностика плазмы с помощью открытых цилиндрических резонаторов - М Энер-гоиздат, 1985 - 145с )

В диссертационной работе описаны результаты формирования требуемых СК, их перестройки для реализации ФП диагностики пространственного распределения покомпонентного содержания среды диагностируемого ГЖП

На рис 16 показана карта собственных и вынужденных (возбужденных)

Рис 16 Карта собственных и возбужденных мод резонатора связи резонатора вынужденные колебания реализуются только в двух узких областях, ограниченных горизонтальными линиями Это позволило составить сетку возбуждаемых мод с динамикой их частотного сдвига при диагностике структуры потока в рабочем диапазоне частот

Синтезированный в главе ФП диагностики многокомпонентных потоков [6, 16] позволил предложить новый способ определения покомпонентного расхода смесей, основанный на соотношении =5] ЦрУ^Л , где <3, - по' ' I *

компонентный расход смеси, р„ V,, 8, - плотность, скорость компонент и пло-

щадь сечения резонатора, занятая 1-ой компонентой [44] А результаты исследования спектра колебаний ОСР, поиска и реализации способов их избирательного возбуждения составили информационно-знаниевую базу для формирования оригинального облика измерительного устройства, системы возбуждения таких рабочих типов колебаний, которые обеспечивают эффективное взаимодействие с отдельными областями потока во внутреннем пространстве резонатора при диагностике структуры потоков Этот способ и устройства расходо-метрии реализованы в промышленной технологии газодобычи [45]

В шестой главе приведены сведения о практической реализации проведенных в диссертации исследований и разработок, методов и средств диагностики БГШ в промышленных технологиях Описаны стендовые устройства и бортовые рефлектометры серии МБМА (МБМА-01, -02, -03, -05, -06) для комплексной задачи диагностики плазмы, комплексы радиоинтерферометрии МБИМ-08 и РИ-03 с набором зондирующих устройств диагностики ГДП, расходомеры серии РГЖ-001 для технологии газодобычи [45, 50]

Полный перечень разработанных и внедренных узлов и устройств диагностики приведен в Приложении 1

Созданные диагностические комплексы прошли приемочные испытания, сертифицированы как средства измерений (см Приложение 4) и внедрены в промышленных отраслевых технологиях Федерального агентства по атомной энергии и в газовой отрасли, о чем свидетельствуют акты и другие документы внедрения, также приведенные в Приложении 4

Результаты прикладных работ докладывались и обсуждались на пленарных заседаниях представительных междисциплинарных форумов [7, 8, 48-50]

В Заключении приведены основные результаты работы и предложены перспективные направления ее продолжения

В приложениях: изложены дополнительные сведения о разработанных и внедренных устройствах, включая измерители диэлектрических параметров взрывчатых составов, обоснованы и описаны структура и модель комплексной инновационной НИОКР, приведены документы внедрения результатов работы

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1 Поставлена и обоснована междисциплинарная научная проблема исследования, разработки и реализации в промышленных технологиях открытых КВЧ устройств передачи, извлечения и приема информации для бесконтактной диагностики быстропротекающих процессов (БПП) в многокомпонентных средах. В ходе решения этой проблемы

• обоснованы преимущества открытых КВЧ устройств; на основе анализа структуры физического принципа (ФП) диагностики БПП, сформирован научный подход к их физическому синтезу и проектной разработке,

• с целью структурирования базы знаний, обеспечивающей реализацию КВЧ устройств, проведена проблемная классификация их видов в признаковом пространстве «прикладные задачи - физические явления».

2 В развитие постановки и в ходе решения задачи п 1 получены новые результаты в области физики и техники диэлектрических волноводов (ДВ) и устройств на них, в том числе

♦ исследовано явление распределенной связи волн ДВ и волн в системах ДВ, разработаны и реализованы оригинальные фазометрические и поляризационные устройства на ДВ для стендовой диагностики,

♦ предложены и реализованы принципы построения диэлектрических интегральных схем (ДИС), исследованы характеристики распространения и распределенная связь волн в ДИС, разработаны фазометрические и резонансные устройства, в т ч. для бортового применения,

♦ предложена и реализована патентнозащищенная технология изготовле-

ния ДИС объемного формообразования для устройств диагностики

3 На базе развития знаний и принципов пп 1-2 впервые разработана, спроектирована и реализована серия универсальных интерферометров на ДИС для диагностики БПП и бортовой плазмы

4 В соответствии с физическим принципом (ФГ1) диагностики БПП сформированы концепция и основы теории зондирующих устройств (ЗУ) для формирования зондирующих волновых образований (ЗВО)

> описаны желаемые для реализации ФП свойства ЗВО, исследованы явления многомодового возбуждения и преобразования волн вблизи ряда конструкций ЗУ,

> предложены и реализованы новые принципы работы ЗУ на ДВ и пучках ДВ, основанные на взаимодействии ЗВО с объектом диагностики,

> сформулирована гипотеза об идеальных обликах ЗУ, работающих с ЗВО в виде волновых пучков, в том числе гауссовых

5 Развиты принципы и методология диагностики БПП с помощью волновых образований класса волновых пучков и на этой основе:

♦ повышено качество диагностики, сформулированы пути и критерии повышения энергетической эффективности РИ и повышения точности диагностических измерений,

♦ сформулирована задача пространственного согласования поля ЗВО с характеристиками фронта ГДП, намечены пути создания многопараметрической и обликовой диагностики газодинамических процессов

6 Предложен и реализован новый способ расходометрии, основанный на анализе влияния неоднородных газожидкостных потоков на характер и параметры спектра колебаний открытых сверхразмерных резонаторов (ОСР)

7 Результаты исследования явлений в открытых структурах и в свободном пространстве, развитые принципы работы и разработанные КВЧ устройства реализованы в научно-технических решениях прикладного назначения

Новизна и полезность разработанных в диссертации новых технических и технологических решений подтверждена 19 авторскими свидетельствами СССР и 5 патентами РФ Эти решения внедрены в нескольких отраслях экономики Их промышленный уровень подтвержден сертификатами Госстандарта

Сформулированные в работе принцип пространственного согласования ЗВО и ГДП, модельные представления о ЗВО и ИВО, а также принципы построения зондирующих устройств с волновыми пучками, согласованными с обликами ГДП и свойствами его фронтов, - открывают перспективы дальнейшего значительного повышения качества диагностики

Основное содержание диссертационной работы изложено в следующих

публикациях

1 Орехов, Ю И Развитие физического принципа действия радиоинтерферометрии Реализация в газодинамике взрывных процессов // Изв Вузов Физика - 2006 - №9 - С 294-308

2 Орехов, Ю И Модели распространения радиоволн в микроволновой радиоинтерферометрии газодинамических процессов П Физика волновых процессов и радиотехнические системы. - 2006 - С 319-320

3 Методы извлечения информации о перемещении границ раздела в газодинамических экспериментах с использованием радиоинтерферометров мм диапазона /В А Канаков, С Ю Лупов, Ю И Орехов, А В Родионов // Изв вузов Радиофизика -2006 - (в печати)

4 Исследование излучения диэлектрической антенны в круглом сверхразмерном волноводе /ЮГ Белов Р В Бударагин, Ю И Орехов, Ю В Раевская // Физика волновых процессов и радиотехнические системы - 2005 -Приложение-С 194-195

5 Белов, Ю Г Численное моделирование поля в антенной системе КВЧ интерферометра /ЮГ Белов, Ю И Орехов, И Г Луконин // Физика волновых процессов и радиотехнические системы - 2006 - Приложение - С 186-187

6 Томография газоконденсатных потоков постановка задачи и выбор зондирующих частот / И Н Москалев, В Е Костюков, Ю И Орехов [и др ] // Газовая промышленность - 2005 - №9 - С 82-85

7 Некоторые результаты применения в ИФВ РФЯЦ-ВНИИЭФ радиоинтерферометров мм диапазона для изучения газодинамических процессов / А Л Михайлов, В Е Костюков, Ю И Орехов [и др ] // Труды междунар конфер "VII Харитоновские научные чтения", Саров, 2005, - С 649-654

8 О возможности повышения качества радиоинтерферометрии при диагностике газодинамических процессов специально сформированными зондирующими волновыми образованиями / В Ф. Взятышев, А Л Михайлов, Ю И Орехов [и др ] // Тез докл междунар конфер "IX Харитоновские науч чтения", - Саров, 2007 - С 303

9 Исследование антенной системы КВЧ-интерферометра /ЮГ Белов, Р В Бударагин, Ю И Орехов, Ю В Раевская//Антенны -2006 -Вып 5(108) -С 62-67

10 Бударагин, РВ Исследование микроволновой зондирующей системы для бесконтактной диагностики быстропротекающих процессов /' Р В Бударагин, Ю И Орехов //Антенны - 2005 - Вып 5 (96) - С. 47-51

11 Белов, Ю Г Расчет излучения контактной диэлектрической антенны /ЮГ Белов, Р В Бударагин, Ю И Орехов // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. - 2006 -Приложение - С 110-111

12 Белов, Ю Г Расчет контактной диэлектрической антенны для КВЧ интер-

ферометра /ЮГ Белов, Р В Бударагин, И Г Луконин, Ю И Орехов // Антенны -2007 -Вып 2(117) -С 47-51

13 Канаков, В А Синтез квазиоптической антенны / В А Канаков, Ю И Орехов // Физика волновых процессов и радиотехнические системы - 2004 -Приложение - С 319-320

14 Антенны для систем радиовидения КВЧ диапазона / В А Канаков, Ю И Орехов [и др ] <7 Антенны - 2006 - Вып 5(108) - С 13-16

15 Орехов, Ю И Автоматизированные аппараты КВЧ терапии серии «БАЮР»

и диагностическо-терапевтические комплексы на их основе / Ю И Орехов [и др ] //Изв Вузов Радиофизика -1994 -№1 -С 155-157

16 Томография газоконденсатных потоков методы микроволнового зондирования / И Н Москалев, В Е Костюков, И Г Вышиваный, Ю И Орехов // Газовая промышленность - 2005 -№11 -С 76-80

17 Микроволновая техника для газовой промышленности / ИН Москалев, ЮИ Орехов [и др ]//Газовая промышленность -1997 -№4 -С 56-58

18 Орехов, ЮИ Методы измерения поляризационных параметров диэлектрических волноводов//Тр ин-та / Моек энерг ин-т - 1974 -Вып 194 - С 68-69

19 Орехов, ЮИ Обобщенные поляризационные характеристики несимметричных диэлектрических волноводов // Тр ин-та / Моек энерг ин-т-1975 -Вып 231-С 144-148

20 Орехов, Ю И Поляризационные устройства на диэлектрических волноводах // Всесоюзная сессия НТОРЭС им А С Попова тез докл - М, 1974 -С 145

21 Орехов, ЮИ Устройства с преобразованием поляризации на несимметричных диэлектрических волноводах / Ю И Орехов, В Ф Взятышев, Б И Рябов/7Тр ин-та /Моек энерг ин-т -1975 -Вып 231 -С 139-143

22. Ас 453994 СССР, M Кл H01Q 15/22 Излучатель круговой поляризации поля/Ю И Орехов, Б И Рябов (СССР) -№1825792 / 26-9, заявл 08 09 72, зарег 21 08 74 -5 с ил

23 Ас 495981 СССР, M Кл H01Q 15/22 Излучатель круговой поляризации поля / ЮИ Орехов, В Ф Взятышев,АС Трусов (СССР) -№2017334/269, заявл. 17 04 74; зарег 22 08 75 - 3 с ил

24 Ас 532303 СССР, M Кл 2 H01Q 13/24 Излучатель с управляемой поляризацией / В Ф Взятышев, Ю И Орехов, А С Трусов (СССР) -№1951650/09, заявл 17 07 73, зарег 22 06 76 - 6 с ил

25 Ас 645478 СССР, M Кл2 Н01Р 1/18 Поляризационный сдвигатель частоты / Ю И Орехов, А С Трусов, H И Скипетров (СССР) -№2442721/18-09; заявл 14 01 77, зарег 06 10 78 - 4 с ил

26 Орехов, Ю И Диэлектрическая интегральная схема для двухканального рефлектометра / Ю И Орехов, С Д Якухин, Б И Рябов // Тр ин-та / Моек энерг ин-т -1978 -Вып 360 - С 62-65

27 Взятышев, В Ф Диэлектрические волноводы для интегральных схем миллиметрового диапазона длин волн / В Ф Взятышев, Ю И Орехов Б И Рябов // Всесоюзный симпозиум по приборам, технике и распространению мм волн тез докл -М, 1976 - С 111-114

28 Диэлектрические волноводы с объемным формообразованием Конструкции и сопоставление / Б А Рябов, С Д Якухин, Е.В Голованкова, Ю И Орехов // Физико-технические проблемы создания устройств на диэлектрических волноводах и резонаторах научн тр - межвуз темат сб / Моек энерг ин-т -1984 -№48 -С 84-91

29 Орехов, Ю И Интегральный Y-циркулятор на диэлектрическом волноводе / Ю И Орехов, П Б Шаронов, И Г Дербенев, Б А Рябов // Проектирование радиоэлектронных устройств на диэлектрических волноводах и резонаторах тез докл всесоюз науч-техн конф (Тбилиси, 1988) - Тбилиси, 1988 С 199-200

30 Ас 699978 СССР, M Кл2 Н01Р 5/18 Направленный ответвитель ' ЮИ Орехов, ПА Почтин (СССР). - №2640454/18-09, заявл 07 07 78, зарег 27 07 79 - 4 с ил

31 Ас 701437 СССР, M Кл2 Н01Р 1/16 Переменный аттенюатор на интегральном диэлектрическом волноводе / Ю И Орехов, А Б Тихонов (СССР) -№2564787/18-09, заявл 04 01 78, зарег 06 08 1979 - 5 с ил

32. Диэлектрические интегральные схемы (технология и материалы) / Б И Рябов, Ю И Орехов, В А Арефьев, В С Добромыслов // II Всесоюз симп по мм и субмм волнам тез докл Харьков, 1978 -Т1 -С 189-190

33 Ас 886636 СССР, М КлЗ Н01Р в02В Способ изготовления диэлектрических интегральных схем миллиметрового диапазона длин волн / В А Арефьев, В К Заботин, Н И Крюков, Ю И Орехов (СССР) -№2920131/18-09, заявл 30 04 80,зарег 03 08 81 -6 с

34 Ас 1050393 СССР, М Кл3 Н01Р С02В Способ изготовления диэлектрических интегральных схем миллиметрового диапазона длин волн / В А Арефьев, В К Заботин, Н И Крюков, Ю И Орехов (СССР) - заявл 26 06 81, зарег 22 06 83 - 5 с

35 Малогабаритный рефлектометр для измерения комплексного коэффициента отражения / Ю И Орехов, Б И Рябов, С Д Якухин, А Б Тихонов // И Всесоюз симп по мм и субмм волнам' тез докл Харьков, 1978 - Т 1 -С 135-136

36 Ас 784665 СССР М КлЗ Н01Р 1/16 Переход с диэлектрического волновода на микрополосковую линию ' Ю И Орехов, П А Почтин, А Б Тихонов, НИ Скипетров (СССР) - №2794609/18-09, заявл 12 07 79, зарег 01 08 80 -4с ил

37 Ас 967230 СССР, М Кл 3 Н01Р 1/16 Переход с диэлектрического волновода на микрополосковую линию / Ю.И Орехов, С Д Якухин, А Б Тихонов, ПА Почтин (СССР) - №3264398/18-09, заявл 26 03 81, зарег 15 06 82 -4 с ил

38 Ас 1378731 СССР, М КлЗ Н01Р 1/37 У-циркулятор / ЮИ Орехов, П Б Шаронов, И Г Дербенев (СССР) - № 4042090, заявл 26 03 86, зарег 01 И 87 - 3 с ил

39 Ас 862776 СССР, М Кл.З Н01Р 1/37 Сверхвысокочасготный вентиль / ЮИ Орехов, ПБ Шаронов (СССР) - №2861050/18-09, заявл 02 01 80, зарег 05 07 81 - 3 с ил

40 Ас 741727 СССР М Кл2 Н01Р 3/20 Детекторная секция / ЮИ Орехов, ПА Почтин, НИ Скипетров, А Б Тихонов (СССР) - №2640455/18-09, заявл 07 07 78, зарег 21 02 80 -4 с ил

41 Орехов, ЮИ Экспериментальные исследования элементов конструкций на диэлектрическом щелевом волноводе / ЮИ Орехов, А Б Тихонов, [и др ] // Проектирование и применение радиоэлектронных устройств на ди-

лХ>

электрических волноводах и резонаторах тез докл Всесоюз науч -техн конф Тбилиси, 1988 - С 168

42 Пат 2058164 Российская Федерация, МПК7 А61Н39 Устройство для микроволновой терапии «БАЮР» / Орехов Ю И, Раснецов Л Д, заявитель и патентообладатель Орехов Ю И, Раснецов Л Д - №4929438, заявл 25 03 91, опубл 20 04 96, Бюл № 4 - 8 с ил

43 Измерительная секция расходомера для определения ВГФ и КГФ в газо-конденсатных потоках / И Н Москалев, Ю И Орехов [и др ] // Газовая промышленность - 2005 - №2 - С 59-62

44 Пат №2164340 Российская Федерация, МПК 7 ООП-1/74 Способ определения покомпонентного расхода потока газожидкостной смеси продуктов газонефтедобычи в трубопроводе и устройство для его реализации / Орехов ЮИ [и др], № 97122341, заявл 30 12 97, опубл 20 03 01, Бюл №8 -20 с ил

45 Измерительная система учета расхода и контроля качества продуктов добычи газоконденсатных месторождений / В Б Беляев, И Г Вышиваный, Ю И Орехов, В Н Русанов // Средства измерения, автоматизации, телемеханизации и связи -2003.-№ 10 - С 12-16

46 Пат 2286546 Российская Федерация, МПК вО 1Г 1/16 Способ и устройство измерения расхода газожидкостного потока // Вышиваный И Г, Орехов Ю И [и др ], № 2004134163, заявл 23 11 04, опубл 10 05 06, Бюл №30 -7 с ил

47 Пат 2289808 Российская Федерация, МПК СОШ 22/04 Способ и устройство определения объемных долей жидкого углеводородного конденсата и воды в потоке газожидкостной смеси / Орехов Ю И , Вышиваный И Г [и др],№20055105441, заявл 28 02 05, опубл 10 08 06, Бюл №35 -9 с ил

Подписано в печать 3, 09 С к Зак. Тир. </СО П.л. 4 Ь Полиграфический центр МЭИ (ТУ) Красноказарменная ул., д. 13