СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ НЕЛИНЕЙНЫХ СИГНАЛОВ Российский патент 2005 года по МПК H03B19/05 H03B28/00 

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано при проведении научных исследований, в автоматизированных измерительных системах и в других радиотехнических системах.

Известны способы формирования нелинейных сигналов (см., например, Соснин Э.А., Пойзнер Б.Н. Лазерная модель творчества (от теории доминанты к синергетике культуры). - Томск, 1997, гл.8 и Делоне Н.Б. Нелинейная ионизация атомов лазерным излучением. // Соросовский образовательный журнал. - 2001, - т.7, - № 11, c.94-101).

Из известных наиболее близким является способ, описанный в статье Делоне Н.Б. Нелинейная ионизация атомов лазерным излучением // Соросовский образовательный журнал. - 2001, - т.7, - № 11, cc.94-101. Согласно этому способу генерируется линейный сигнал, который затем подают в линейную среду и за счет мощности излучения формируют нелинейный сигнал как отклик (реакцию) линейной среды на мощное воздействие. Однако данный способ реализуем только в инфракрасном и в больших диапазонах частот и не обеспечивает формирование нелинейных сигналов с заданным типом нелинейности.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является формирование нелинейных сигналов с заданным типом нелинейности.

Технический результат выражается в формировании нелинейных сигналов с заданным типом нелинейности.

Результат достигается тем, что в способе формирования нелинейных сигналов, включающем генерирование линейного сигнала, последний пропускают через нелинейное образование с известными параметрами нелинейности, в котором осуществляют преобразование линейного сигнала в нелинейный сигнал путем параметрического сложения линейного сигнала с подаваемым на нелинейное образование сигналом накачки, которым управляют параметрами нелинейности нелинейного образования, задавая тип нелинейности формируемого нелинейного сигнала.

При этом нелинейное образование с заданными параметрами может быть создано искусственным путем или в качестве нелинейного образования используют естественное образование, параметры которого определяют путем зондирования или расчетным путем, а характеристики линейного сигнала и сигнала накачки задают в зависимости от параметров нелинейного образования.

Причем параметрами нелинейности нелинейного образования могут управлять одновременно линейным сигналом и сигналом накачки, задавая тип нелинейности нелинейного сигнала.

Кроме того, линейный сигнал может одновременно выполнять функции сигнала накачки.

А также параметрами нелинейности нелинейного образования можно управлять только линейным сигналом, задавая тип нелинейности нелинейного сигнала.

Нелинейное образование можно создать по крайней мере в одном из трактов излучателя линейного сигнала или на пути распространения линейного сигнала вне излучателя, по крайней мере на части твердотельного материального объекта искусственного происхождения, путем облучения его линейным сигналом, которым формируют и управляют параметрами нелинейности нелинейного образования, осуществляя в нем преобразование линейного сигнала в нелинейный сигнал путем сложения различных периодов несущего колебания линейного сигнала.

Помимо этого, нелинейное образование можно создать на пути распространения линейного сигнала вне излучателя в виде искусственного ионизированного или плазменного образования, при этом искусственное ионизированное или плазменное образование может быть создано путем перекрестного облучения выбранной области пространства электромагнитным излучением, которым можно управлять параметрами нелинейности нелинейного образования, задавая тип нелинейности нелинейного сигнала, причем электромагнитное излучение может одновременно выполнять функции сигнала накачки.

На момент подачи заявки заявителю не известно техническое решение, обладающее указанной совокупностью признаков.

Предлагаемое техническое решение поясняется чертежом, на котором модель нелинейного образования (НО) представлена в виде трехполюсника 1, имеющего вход 2 линейного сигнала, вход 3 сигнала накачки и выход 4 нелинейного сигнала.

Предложенный способ формирования нелинейных сигналов осуществляется следующим образом.

Формируют линейный сигнал, представляющий собой, например, электромагнитное синусоидальное колебание или импульсный сигнал. Этот линейный сигнал пропускают через расположенное на пути его распространения НО (т.е. подают на вход 2 трехполюсника 1). Теоретически частота несущего колебания линейного сигнала (диапазон частот) не оказывает влияния на возможность формирования нелинейного сигнала. Однако практически для каждого диапазона частот несущего колебания линейного сигнала оптимальным является выбор только одного (или нескольких, равноценных по частотным свойствам) варианта формирования (выбора) НО. При этом НО может являться искусственно созданным или естественным образованием. НО может быть твердотельным, газообразным, жидкостным или плазменным объектом (или частью объекта). Причем НО имеет большее значение параметра нелинейности (это может быть, например, диэлектрическая или магнитная проницаемость НО) относительно аналогичного параметра окружающей среды. НО может быть локализовано в пространстве (т.е. может носить характер локального образования, пространственные габариты которого существенно малы сравнительно с габаритами среды, окружающей НО и обладающей параметрами и характеристиками, отличными от параметров и характеристик НО). НО может быть не локализовано в пространстве и иметь характер глобального образования (глобальность которого определяется габаритами НО сравнительно как с расстоянием от НО до излучателя линейного сигнала, так и с длиной волны несущего колебания линейного сигнала).

Таким образом, на вход 2 трехполюсника 1 (НО) поступает линейный сигнал, который необходимо преобразовать в нелинейный сигнал, а на второй вход 3 подают сигнал накачки, с помощью которого управляют параметрами нелинейности НО. На выходе 4 получают нелинейный сигнал, который является продуктом параметрического сложения в НО линейного сигнала и сигнала накачки с учетом нелинейных свойств (известных параметров нелинейности) НО.

Управление параметрами нелинейности НО производится за счет влияния на названные параметры достаточно сильным сигналом накачки и/или линейным сигналом, т.к. параметры нелинейности НО суть временной функционал от закона изменения сигнала накачки и/или линейного сигнала.

Названное влияние сигнала накачки и/или линейного сигнала реализуется в виде параметрического сложения сигналов (в частных случаях, сигнала) в условиях наличия НО. Аналитическое описание процесса параметрического сложения двух сигналов (в данном случае, линейного сигнала и сигнала накачки) в условиях априори заданного типа нелинейности формируемого нелинейного сигнала подчиняется математическому аппарату параметрической теории (Афанасьев Ю.В. Феррозондовые приборы. - Л.: Энергоатомиздат, 1986; Мари Ж. Параметрические усилители с ортогональным магнитным управлением. - М.: Мир, 1967; K.Tamura, K.Fujimoto. A parametric ecxitation integrated ferrite antenna // Dig. Intermag. Conf. Kyoto, 1972. - N.Y., 1972, N.Y., 17/2; Сергеев В.И. Параметрические антенны. - Воронеж: Курьер, 1995).

Тип нелинейности формируемого нелинейного сигнала определяется параметрами воздействующих на НО линейного сигнала и сигнала накачки. Эти параметры определяют (задают) аналитическим путем (как соответствие какому-либо решению определенного нелинейного уравнения). В общем случае, алгоритм определения параметров сигнала накачки и/или линейного сигнала следующий: априори известен (задан) тип нелинейности результирующего нелинейного сигнала. Решается уравнение с одним (в случае, когда параметрами нелинейности НО управляют только одним сигналом) или большим числом (в случае, когда параметрами нелинейности НО управляют не менее, чем двумя сигналами) неизвестных, каждое из которых является временной функцией, описывающей искомый сигнал или сигналы (сигнал накачки, и/или линейный сигнал, и/или электромагнитное излучение, формирующее НО). Полученные решения уравнения (описывающие, требуемые для задания, параметры сигнала накачки и/или линейного сигнала для формирования нелинейного сигнала с заданным типом нелинейности) подтверждают справедливость приведенного алгоритма определения параметров сигнала накачки и/или линейного сигнала.

Линейным сигналом и сигналом накачки с этими заданными параметрами (рассчитанными априори) и осуществляют воздействие на НО, параметры нелинейности которого также определяют заранее путем зондирования или расчетным путем. При сравнимых уровнях воздействия сигнала накачки и линейного сигнала на НО параметрами нелинейности НО управляют не только за счет влияния сигнала накачки, но и за счет влияния линейного сигнала. То есть параметры нелинейности НО, в данном случае, суть временной функционал комбинации законов изменения сигнала накачки и линейного сигнала. Таким образом, тип нелинейности нелинейного сигнала априори задан характеристиками и сигнала накачки, и линейного сигнала.

Возможен частный случай, при котором уровень сигнала накачки существенно меньше уровня линейного сигнала. В этом случае параметры нелинейности НО задаются соответственно закону изменения параметров линейного сигнала. То есть линейный сигнал выполняет функции сигнала накачки, а именно линейным сигналом управляют параметрами нелинейности НО, задавая тип нелинейности формируемого нелинейного сигнала. При этом нелинейный сигнал формируют как результат параметрического сложения линейного сигнала и сигнала накачки на нелинейности НО.

Возможен также частный случай, при котором уровень сигнала накачки равен нулю (сигнал накачки отсутствует). В этом случае параметрами нелинейности НО управляют линейным сигналом в отсутствии сигнала накачки, задавая тип нелинейности нелинейного сигнала, придавая таким образом линейному сигналу функции сигнала накачки. При этом параметрическое сложение в НО производится между различными периодами несущего колебания линейного сигнала. Например, может производиться сложение по следующему закону: один период несущего колебания линейного сигнала складывается с другим периодом, следующим за первым периодом через один период. Последующие периоды, по которым производится сложение, следуют один за другим через один период. Возможно использование и иных законов сложения различных периодов несущего колебания линейного сигнала.

НО может быть выполнено искусственным путем или в качестве НО может быть использовано естественное образование.

Рассмотрим вариант создания НО искусственным путем. В этом случае параметры НО определяют априори, задавая алгоритм создания НО. Такое НО можно расположить либо в излучателе линейного сигнала, либо на пути распространения линейного сигнала вне излучателя.

При расположении НО в излучателе (в одном из трактов излучателя) возможны следующие варианты реализации способа формирования нелинейного сигнала:

а) на пути распространения линейного сигнала по трактам излучателя сигнала (до антенной системы, например, в НЧ-ВЧ трактах) такой линейный сигнал пропускают через НО в виде параметрического преобразователя (построенного на варианте исполнения какого-либо магнетика, например ферромагнетика, аморфного магнетика и т.д. См., например, пат. США № 3750180, МКИ H 01 Q 7/08, 1972 г., а.с. СССР № 1705785, МПК G 01 R 33/02, опубл. 15.01.1992 г., а.с. СССР № 1741204, МПК H 01 Q 7/08, опубл. 15.06.1992 г.). На такое НО подается сигнал накачки (при этом параметры линейного сигнала детерминированы). Результирующий нелинейный сигнал в соответствии с параметрической теорией будет являться результатом параметрического сложения линейного сигнала с сигналом накачки в условиях нелинейности НО (с управляемым параметром магнитной проницаемости). При этом требуемые параметры сигнала накачки определяют как результат решения уравнения названного параметрического сложения по вышеуказанному алгоритму определения параметров сигнала накачки и/или линейного сигнала;

б) на пути распространения линейного сигнала (в случае использования СВЧ-диапазона) по СВЧ (волноводным) трактам излучателя линейного сигнала таковой линейный сигнал проходит через область повышенной ионизации (например, за счет использования радиоактивностей (см. пат. США № 3713157, н.кл. 343-18, 1973), которая представляет из себя НО. Сигнал накачки при этом отсутствует. Параметры линейного сигнала определяются соответственно вышеизложенному алгоритму определения параметров сигнала накачки и/или линейного сигнала. Результирующий нелинейный сигнал формируют за счет параметрического сложения различных периодов несущего колебания линейного сигнала в НО;

в) на пути распространения линейного сигнала (в случае использования СВЧ-диапазона) по СВЧ (волноводным) трактам излучателя линейного сигнала таковой линейный сигнал проходит через созданное плазменное образование (которое создается дополнительными средствами ионизации волноводного канала), представляющее из себя НО (см., например, кн. Александрова А.А., Рухадзе А.А. Лекции по электродинамике плазмоподобных сред. - М.: Изд-во МГУ, 1999, сс.302-320). Сигнал накачки отсутствует. Соответственно вышеизложенному алгоритму определяют параметры линейного сигнала и формируют результирующий нелинейный сигнал.

Искусственное НО может быть выполнено в виде искусственного ионизированного или плазменного образования, которое создают на пути распространения линейного сигнала вне излучателя. При этом способ реализуется следующим образом:

1) В пределах апертуры антенной системы излучателя линейного сигнала могут быть задействованы маломощные облучатели для организации искусственных ионизированных образований (ИИО) или плазменных образований (ПО), представляющих варианты НО (получаемых на перекрестье излучения таких маломощных облучателей, например, в соответствии со способом формирования энергетического сгустка, патент РФ № 2074532, МПК Н 05 Н 1/18, Н 05 Н 1/46, опубл. 27.02.1997 г., или со способом передачи информационного сигнала с ретрансляцией посредством искусственного ионизированного образования, патент РФ № 2099880, МПК Н 04 В 7/22, опубл. 20.12.1997). Следует отметить, что при организации НО (в пределах апертуры излучающей антенны) могут быть использованы и иные варианты формирования таких нелинейностей (например, ультрафиолетовая ионизация воздушного пространства в апертуре или ионизация за счет использования радиоактивностей) помимо перекрестного СВЧ-облучения выбранной области пространства. В качестве сигнала накачки выбирают либо дополнительное облучение НО, либо одно (или более) из первичных облучений (электромагнитных излучений), влекущих образование НО. Излучение линейного сигнала при этом производят в область такого НО. Таким образом, в данном случае нелинейный СВЧ-сигнал формируют как синтезированный сигнал, полученный в результате параметрического сложения линейного сигнала, электромагнитного излучения (формирующего НО) и сигнала накачки с учетом характеристик среды распространения (параметров нелинейности НО).

2) В случае создания НО искусственного происхождения расположенного в дальней зоне антенны излучателя НО создается на луче (по направлению излучения или в направлении главного лепестка диаграммы направленности антенной системы излучателя - ГЛ ДН) за счет перекрестного облучения (дополнительными облучателями) выбранной области пространства (в направлении ГЛ ДН) электромагнитным излучением. В случае расположения такого НО в дальней зоне антенны излучателя она может быть сформирована за счет перекрестного (с пересечением по направлению ГЛ ДН) облучения выбранной области пространства с созданием в ней ИИО либо ПО. Сигналом накачки будет являться либо дополнительное облучение НО, либо одно (или более) из первичных облучений (электромагнитных излучений), влекущих образование НО. Излучение линейного сигнала производится в область такой НО (либо область НО создается с учетом направления ГЛ ДН антенны излучателя линейного сигнала). Формирование нелинейного сигнала производят вышеописанным образом, как получение результирующего сигнала от параметрического сложения линейного сигнала и сигнала накачки (с возможным участием электромагнитного излучения, формирующего НО) в созданном НО.

В описанных случаях (1) и (2) формирования НО как ИИО или ПО параметрами нелинейности НО можно управлять электромагнитным излучением, формирующим такое НО (при сравнимости уровней электромагнитного излучения и сигнала накачки), что, соответственно, задает тип нелинейности нелинейного сигнала. При этом, так как названное электромагнитное излучение используют как составляющую (слагаемое) параметрического сложения (для формирования нелинейного сигнала), следует, что такое электромагнитное излучение (организующее НО) одновременно выполняет функции сигнала накачки, которым управляют параметрами нелинейности НО.

Также одним из вариантов исполнения искусственного НО является использование твердотельного материального объекта с известными параметрами нелинейности, который располагают на пути распространения линейного сигнала вне излучателя. При этом нелинейность по крайней мере части твердотельного материального объекта (НО) формируют и задают, а также управляют параметрами нелинейности НО посредством облучения по крайней мере части такого твердотельного материального объекта линейным сигналом. Заключается данный вариант в том, что под воздействием линейного сигнала в облучаемом объекте (части объекта) возрастает нелинейность (изменяются параметры нелинейности), которая, в свою очередь, влияет на результаты воздействия линейного сигнала на НО (усиливая такое воздействие). Например, известно, что достаточно (в СВЧ-диапазоне) плотности потока мощности облучения не более 500 мВт/см² (см., например, Терпугов Е.Л., Дегтярева О.В. Инфракрасный колебательный спектр эмиссии лизина, возбужденный видимым излучением умеренной мощности. // Письма в ЖЭТФ, 2001, т.73, вып.6), что требуется для формирования в твердотельном материальном объекте резонатора Фабри-Перо, для обеспечения возможности резонансного сложения импульсов облучения на поверхности (в приповерхностном слое) объекта (при значительном, экспоненциальном, возрастании нелинейности), что влечет параметрическое сложение различных периодов несущего колебания линейного сигнала. В результате такого параметрического сложения формируют нелинейный сигнал (как преобразование линейной формы сигнала в нелинейную) с заданным типом нелинейности.

Резюмируя вышеизложенное, следует, что в общем случае параметры линейного сигнала и сигнала накачки являются управляемыми. Следовательно, свойства НО являются управляемыми и, следовательно, параметры результирующего (получаемого за счет параметрического сложения) нелинейного сигнала получают как априори заданные (за счет управления исходными параметрами линейного сигнала и/или сигнала накачки). Таким образом, результирующему нелинейному сигналу придают априори заданный тип нелинейности, определяемый аналитическим уравнением, описывающим такой тип нелинейности, и видом используемого решения такого нелинейного уравнения, например солитонное или несолитонное решение нелинейного уравнения Шредингера (НУШ) (см., например, кн. Лэма Дж. Введение в теорию солитонов. - М.: Бибфизмат, 1997 или кн. Филиппова А.Т. Многоликий солитон. - М.: Наука, 1990).

В случае естественного характера НО его параметры (параметры нелинейности и другие параметры, например время жизни, скорость перемещения в пространстве, скорость изменения параметров и т.д.) определяют путем зондирования или расчетным путем, а характеристики линейного сигнала и сигнала накачки задают в зависимости от выявленных параметров НО. Формирование нелинейного сигнала при этом реализуется, например, следующим образом:

Антенна излучателя находится в самой нелинейной среде. Линейный сигнал, попадая в НО, за счет взаимодействия с НО усиливает нелинейные свойства НО, что обеспечивает параметрическое сложение линейного сигнала (различных периодов несущего колебания линейного сигнала) на нелинейности НО (в отсутствии сигнала накачки, который может быть дополнительно использован, но в данном случае не является необходимым), за счет чего формируют нелинейный сигнал. Для обеспечения заданного типа нелинейности нелинейного сигнала, учитывая априори заданные нелинейные свойства НО, требуемые исходные параметры линейного сигнала определяют аналитическим путем как необходимые составляющие для получения априори заданного решения нелинейного уравнения, описывающего результирующий нелинейный сигнал (как ранее указывалось, решается обратная задача - известен результат параметрического сложения, известна одна составляющая, требуется найти другую составляющую). Вариантом данного случая является излучение и распространение линейного сигнала, например, в морской воде (в которой организуется НО, являющееся глобальным нелинейным образованием). По аналогичному алгоритму возможно использование НО, локализованного в выбранной области пространства, расположенной на пути распространения линейного сигнала после его излучения. Такое НО рассматривается как искусственное НО, локализованное в выбранной области пространства вне излучателя линейного сигнала. Параметры НО априори определяют, например, зондированием. Параметрами нелинейности такого НО управляют линейным сигналом и/или сигналом накачки, которые описываются аналитическими уравнениями соответственно вышеприведенному алгоритму определения параметров сигнала накачки и/или линейного сигнала.

Таким образом, предлагаемый способ формирования нелинейных сигналов обеспечивает решение поставленной задачи - формирование нелинейного сигнала с заданным типом нелинейности.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в автоматизированных измерительных системах. Достигаемый технический результат - формирование нелинейных сигналов с заданным типом нелинейности. Способ формирования нелинейных сигналов основан на преобразовании линейного сигнала в нелинейный путем параметрического сложения линейного сигнала с сигналом накачки при воздействии ими на нелинейное образование, которое создают на пути распространения линейного сигнала в виде искусственного ионизированного образования или плазменного образования или образования на основе магнетиков, при этом параметры линейного сигнала и сигнала накачки являются управляемыми, линейным сигналом и/или сигналом накачки осуществляют управление параметрами нелинейности нелинейного образования в соответствии с заданным аналитическим уравнением, описывающим тип нелинейности формируемых нелинейных сигналов, а линейный сигнал представляет собой синусоидальный или импульсный сигнал. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ формирования нелинейных сигналов, включающий преобразование линейного сигнала в нелинейный путем параметрического сложения линейного сигнала с сигналом накачки при воздействии ими на нелинейное образование, отличающийся тем, что нелинейное образование создают на пути распространения линейного сигнала в виде искусственного ионизированного образования, или плазменного образования, или образования на основе магнетиков, параметры линейного сигнала и сигнала накачки являются управляемыми, линейным сигналом и/или сигналом накачки осуществляют управление параметрами нелинейности нелинейного образования в соответствии с заданным аналитическим уравнением, описывающим тип нелинейности формируемых нелинейных сигналов, при этом линейный сигнал представляет собой синусоидальный или импульсный сигнал.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что управление параметрами нелинейного образования линейным сигналом осуществляют путем сложения различных периодов этого линейного сигнала.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что искусственное ионизированное или плазменное образование создают путем перекрестного облучения выбранной области пространства электромагнитным излучением.4. Способ по п.3, отличающийся тем, что дополнительно управляют параметрами нелинейности нелинейного образования электромагнитным излучением.