Исследование фокусаторов на основе зонной пластинки

УДК 621.396.96+537.87
А.В. Царьков, Н.П. Чубинский
М осковский физико-технический институт (государственный университет)
ИССЛЕДОВАНИЕ ФОКУСАТОРОВ НА ОСНОВЕ ЗОННОЙ ПЛАСТИНКИ
ФРЕНЕЛЯ
Данная работа посвящена экспериментальным исследованиям физически х
свойств фокусирующего устройства. Данные такого рода необходимы для обоснования
принципа действия образца радиолокационного устройства для дистанционного
обнаружения людей и технических объектов под обломками зданий и сооружений при
авариях на стройплощадках. Подобные устройства могут так же быть использованы
для дистанционного обнаружения людей и объектов техники, а так же их перемещений,
внутри замкнутых периметров, таких как здания и сооружения, ограниченные стенами,
перегородками и перекрытиями разной конструкции, выполненными из различных
строительных материалов.
Эффективность фокусирующих систем при реализации устройства прямого
радиовидения непосредственно определяют основные характеристики последнего:
энергетический потенциал, задающий дальность действия, разрешающую способность,
в первую очередь по поперечным координатам, и помехоустойчивость при наличии
многократных переотражений сигналов внутри контролируемых помещений. В
качестве фокусирующего устройства было решено использовать зонную пластину
Френеля (ЗПФ). При больших электрических размерах (поперечник более 10…20 длин
волн) она имеет достаточно хорошие фокусирующие свойства [1,2], но уступает таким
классическим устройствам, как линзы и зеркала. Однако простота изготовления, малые
габариты и малый вес делают такой выбор вполне обоснованным.
М акет ЗПФ был изготовлен диаметром около 1,0 м и фокусным расстоянием –
F=0,75 м для рабочей частоты 9,2 ГГц (λ=3,25 см). Целью измерений являлось
получение количественных характеристик фокусировки ЗПФ в свободном
пространстве и при фокусировке пучка радиоволн через сухую кирпичную кладку.
На рис 1 приведены результаты опытов по из мерению размеров фокального пятна
при различных расстояния х фокусировки R2 = 150 см (2F), 300 см (4 F) и 450 см (6 F).
По уровню 50% максимальной мощности диаметр пятна приблизительно в два раза
меньше, но увеличивается приблизительно пропорционально расстоянию фокусировки:
11 см ( R2 = 2 F ), 15 см ( R2 = 4 F ) и 25,5 см ( R2 = 6F ). Теоретический расчет размеров
фокальных пятен [3] при облучении всей апертуры ЗПФ дает следующие значения для
тех же расстояний: 5 см ( R2 = 2 F ), 9 см ( R2 = 4 F ) и 12 см ( R2 = 6F ). Это расхождение
связано с тем, что облучение ЗП Ф было не полным, из меренный диаметр облучаемый
зоны составлял не более полуметра. В этом случае, теоретические данные должны быть
увеличены вдвое, что совпадает с результатам экспериментов.
1,0
F=7 5 ñì , f=9 375 Ì Ãö
[1] R 1=150 (R 2=1 50)
[2] R 1=103 (R 2=2 73)
[3] R 1=90 (R2 =45 0)
1,0
415AK-Õî ëë, f=9.375 GHz
F =0. 75 ì , R1=1.0 ì , R2ýô =3. 0ì
P(x) î òí î ñè ò. åä
0,8
[3 ]
0,6
óðî âåí ü 0,5
0,4
P(x), î òí î ñèò. åä.
óðî âåí ü 0, 9
0,8
0,6
0,4
[2 ]
0,2
0,2
[1 ]
0,0
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
X, ñì
0,0
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
10
X, ñì
Рис.
1. распределения мощности сигнала на
разных расстояниях R1 и R2
Рис. 2. распределение мощности
Таким образом, реальное разрешение в поперечной плоскости в ближней зоне
фокусировки имеет порядок несколько менее двух длин волн до расстояний
фокусировки R2 = 4 F .
Для оценки влияния рассеивающих свойств кирпичной кладки на размеры
фокального пятна были проведены эксперименты, в которых между фокусатором и
плоскостью фокусировки находилась внутренняя несущая кирпичная стена здания. На
рис. 2 приведено распределение мощности вблизи плоскости фокусировки.
Стандартный диаметр фокального пятна (по уровню половины максимальной
мощности) составляет 11,1 см. Что даже несколько меньше, чем при отсутствии стены.
Выводы
1. Измерены диаметры фокальных пятен по уровням 50% и 90% от максимальной
мощности в центре при различных расстояниях фокусировки, которые формировались
ЗПФ диаметром 1 м с фокусным расстоянием 0,75 м на частоте около 9,3 ГГц. На
фокальной оси диаметры пятен увеличиваются с увеличением расстояния фокусировки
по уровню 90% от полутора до трех длин волн.
2. Измерены диаметры фокальных пятен, формируемых ЗПФ, на эффективном
расстоянии около 4-х фокусных расстояний при наличии кирпичной стены толщиной
47,5 см между ЗПФ и плоскостью регистрации. Установлено, что даже в частотном
диапазоне 9,2…9,4 ГГц (длина волны около 3,2 см) эффекты рассеяния практически не
влияют на размеры фокальных пятен и сохраняют ранее определенные размеры.
Литература
1. Сороко Л.М. Основы голографии и когерентной оптики.—М.: Наука, 1971
2. Литвиненко О.Н. Основы радиооптики. – Киев: Техника, 1974
3. Сивухин Д.В. Оптика. – Физматлит, изд. МФТИ 3-е изд. – М.:2002
РЕФЕРАТ
УДК 621.396.96+535.421
И.М. Соколков, А.В. Царьков, Е.А. Цветков Исследование фокусаторов на
основе зонной пластинки Френеля // Современные проблемы фундаментальных и
прикладных наук – аэрофизика и космические исследования: Сборник трудов 49-й
научной конференции МФТИ, Т. III / МФТИ – М.: 2006. – С. _____.
Исследованы фокусирующие свойства зонной пластинки Френеля диаметром 1 м
на частоте 9,375 ГГц (фокусное расстояние 0,75 м). Измерены диаметры фокальных
пятен по уровням 50% и 90% от максимальной мощности в центре при различных
расстояниях фокусировки от двух до шести фокусных расстояний. Измерены диаметры
фокальных пятен на эффективном расстоянии около 4-х фокусных расстояний при
наличии кирпичной стены толщиной 47,5 см между фокусатором и плоскостью
регистрации. Установлено, что эффекты рассеяния на неоднородностях кирпичной
кладки при длине волны около 3,2 см практически не влияют на размеры фокальных
пятен и сохраняют ранее определенные размеры.
Библиография: 3 назв.