43726

Применение среды программирования LabVIEW для создания виртуального лабораторного практикума

Дипломная

Информатика, кибернетика и программирование

Применение среды программирования LbVIEW для создания виртуального лабораторного практикума Обзор литературы по LbVIEW Обзор среды графического программирования LbVIEW LbVIEW как интегрированная среда разработки Виртуальные приборы Передняя панель Блок диаграмма Терминал Узел Провод Порядок выполнения виртуального прибора Типы данных Примером может служить система LbVIEW фирмы Ntionl Instruments. Так например приложения создаваемые в системе LbVIEW занимают примерно 253 Мбайт...

Русский

2013-11-06

2.39 MB

418 чел.

Содержание

Введение 6

Глава 1. Основные принципы построения виртуального лабораторного практикума 17

  1. Виртуальные модели в лабораторном практикуме  17
  2. Виртуальная лаборатория 20
  3. Системы автоматизации научных исследований 23
  4. Автоматизация лабораторных стендов 26
  5. Лабораторный практикум удаленного доступа 28

Глава 2. Применение среды программирования LabVIEW для создания виртуального лабораторного практикума 32

  1. Обзор литературы по LabVIEW 32
  2. Обзор среды графического программирования LabVIEW 33
  3.  LabVIEW как интегрированная среда разработки 35
  4. Виртуальные приборы 40
    1. Передняя панель 41
    2. Блок диаграмма 44
    3. Терминал 45
    4. Узел 46
    5. Провод 46
  5. Порядок выполнения виртуального прибора 47
  6. Типы данных 49

Глава 3. Поляризация электромагнитных волн 51

  1. Линейная поляризация 51
  2. Круговая поляризация 53
  3. Эллиптическая поляризация 56
  4. Поляризационная характеристика 57
  5. Поляризационные параметры антенн 59

Глава 4. Падение плоской волны на границу раздела двух сред 62

  1. Плоские волны произвольной поляризации 62
  2. Нормальная поляризация 63
  3. Параллельная поляризация 68
  4. Условия полного прохождения волны во вторую среду 71

Глава 5. Разработка компьютерной лабораторной работы 74

  1. Вспомогательные виртуальные приборы 74
  2. Виртуальный прибор “Поляризационная характеристика” 77
  3. Виртуальный прибор “Генератор поля 1” 80
  4. Виртуальный прибор “Генератор поля 2” 84
  5. Формирование электромагнитной волны произвольной

поляризации 87

  1. Виртуальный прибор “Граница раздела двух сред” 90
  2. Виртуальный прибор “Волновое число” 94
  3. Виртуальный прибор “Характеристическое сопротивление” 96
  4. Виртуальный прибор “Коэффициенты отражения и прохождения” 99

Глава 6 Описание компьютерной лабораторной работы 102

6.1. Цель работы 102

6.2. Подготовка к работе 102

6.3. Краткие теоритические сведения 102

6.4. Описание программы 107

6.5. Порядок выполнения работы 110

6.6. Требования к отчету 113

6.7. Контрольные вопросы 113

Заключение  114

Список литературы 117
Введение

Во многих странах, включая Россию, практическая реализация дистанционного обучения начиналась с гуманитарных специальностей. В то же время попытки организовать дистанционное обучение по инженерным специальностям до недавнего времени вызывали немало трудностей, связанных с необходимостью реализации лабораторного практикума. Хорошо известно, что в инженерном образовании лабораторный практикум является важным элементом, без которого немыслима подготовка полноценного специалиста.

Развитие информационных технологий привело к появлению понятия "виртуальный лабораторный практикум" (ВЛП), в основе которого лежит имитационное компьютерное моделирование. Основные способы использования ВЛП в учебном процессе:

в качестве компьютерного "тренажера" для подготовки к выполнению практикума в реальной лаборатории (при этом программы компьютерного и физического экспериментов, как правило, одинаковы);

как дополнение к реальному практикуму, предусматривающее такие компьютерные эксперименты, которые по различным причинам (техническим, финансовым, организационным и т.п.) не могут быть реализованы на физическом оборудовании.

Использование ВЛП в качестве компьютерного "тренажера" позволяет обучающемуся лучше подготовиться к проведению физического эксперимента, глубже уяснить исследуемые эффекты, приобрести навыки работы с измерительными приборами (в случае, если виртуальный практикум включает компьютерные модели измерительных приборов, близкие по своим свойствам к свойствам реальных приборов). Обычно такой подход можно рекомендовать для студентов заочно-дистанционной формы обучения, поскольку он не только способствует лучшему усвоению изучаемого материала, но и позволяет сократить продолжительность выполнения практикума в реальной лаборатории в период пребывания в стенах учебного заведения.

Если ВЛП используется как дополнение к реальному практикуму, то он должен быть ориентирован на проведение исследований повышенного уровня сложности или исследований, требующих дорогостоящего оборудования, которым не располагает университет.

По технологиям создания ВЛП можно выделить следующие основные варианты.

1. ВЛП на основе универсальных пакетов программ, обеспечивающих возможность применения в широком спектре предметных областей. Примером может служить система LabVIEW фирмы National Instruments. Универсальные пакеты содержат обширные библиотеки элементов, предназначенных для разработки виртуальных интерфейсов физических приборов и лабораторных установок.

2. ВЛП на основе специализированных предметно-ориентированных пакетов программ, предназначенных для сравнительно ограниченного набора предметных областей. В качестве примера отметим систему Multisim фирмы Electronics Workbench, созданную для моделирования электронных схем, систему ChemOffice фирмы CambridgeSoft, предназначенную для моделирования и анализа химических процессов и т.п. Так же как и в предыдущем случае, программное обеспечение данного класса представляет собой универсальную среду, предназначенную для решения прикладных задач пользователя.

3. ВЛП на основе Java-апплетов. В отличие от предыдущих случаев, где пользователь (преподаватель) обычно работает в режиме графического программирования, процесс создания Java-апплетов является гораздо более трудоемким и требует программирования в кодах. Тем не менее, данная технология имеет и определенные достоинства, особенно когда речь заходит о ВЛП, предназначенном для сетевого применения. Так, например, приложения, создаваемые в системе LabVIEW, занимают примерно 2,5-3 Мбайт памяти, а типичный размер виртуальной лабораторной работы на основе Java-апплета – десятки-сотни килобайт.

Развитие сетевых компьютерных технологий привело к появлению лабораторного практикума, реализуемого в режиме удаленного доступа к реальному оборудованию. Учитывая, что реализация удаленного доступа к реальному оборудованию связана с решением ряда проблем (необходимостью сопряжения лабораторного макета с ПК, обеспечением надежной защиты оборудования от возникновения аварийных режимов, низкой эффективностью использования оборудования из-за невозможности в ряде случаев реализовать коллективный доступ и т.д.), данная технология имеет достаточно много оппонентов. Тем не менее, она тоже имеет свое право на существование, а в ряде случаев имеет очевидные преимущества перед ВЛП.

Важным является вопрос, не является ли ВЛП альтернативой реальному лабораторному практикуму. С одной стороны, современные компьютерные технологии имитационного моделирования позволяют создавать виртуальные интерфейсы реального лабораторного оборудования, воспроизводящие и внешний вид, и его параметры с очень высокой точностью. С другой стороны, поддержание в рабочем состоянии и своевременное обновление лабораторного оборудования, включая и измерительные приборы, требует немалых финансовых средств. Тем не менее любой, даже сколь угодно высококлассный ВЛП, в большинстве случаев не заменит по своему обучающему воздействию, оказываемому на студента, работу с реальным оборудованием. Это осознают и сами студенты, что подтверждается результатами анкетирования, проводившегося на кафедре радиотехники и телекоммуникаций СПбГТУ в рамках педагогического эксперимента по апробации ВЛП по дисциплине "Схемотехника аналоговых электронных устройств". В целом, дав положительную оценку новому ВЛП (84% опрошенных), 54% студентов, участвовавших в опросе, ответили, что считают работу с реальным лабораторным оборудованием более полезной по сравнению с виртуальными лабораторными работами.

На начальном этапе дистанционные технологии обучения использовались, в основном, при обучении гуманитарным специальностям и дисциплинам, чаще всего экономического направления. Развитие технической, технологической, телекоммуникационной базы учебных заведений, увеличение доступности компьютерной техники для широких слоев населения привели к тому, что дистанционные и информационные технологии обучения проникают во все более широкие области, в том числе  в область инженерного образования.

Одной из важнейших составляющих инженерного образования является экспериментальная работа студентов, позволяющая закрепить теоретические положения лекционного материала путем наглядной демонстрации изучаемых явлений и процессов. Естественно, что многие ВУЗы и инициативные разработчики приступили к разработке и внедрению в учебный процесс так называемых «виртуальных лабораторных практикумов». Слово «виртуальный» подчеркивает тот факт, что обучаемый не работает непосредственно с изучаемым объектом, явлением или процессом, а получает информацию при посредстве неких, чаще всего  компьютерных, посредников-носителей. В настоящее время разработаны десятки и сотни вариантов ВЛП, основанных на различных принципах, идеологиях, технологиях и призванных решать различные учебные задачи. Ниже будут рассмотрены наиболее распространенные подходы к построению ВЛП.

Таким образом, работы по созданию ВЛП ведутся во многих ВУЗах РФ, есть несомненные успехи и настал момент интегрировать усилия и согласовать, хотя бы в общих чертах, политику данного направления. Представляется целесообразным, руководствоваться уже действующими нормативными актами (стандартами), регламентирующими создание учебного оборудования и программного обеспечения. В частности, в 1998 году принят отраслевой стандарт ОСТ.19-98 "Системы автоматизированного лабораторного практикума". Данный стандарт ориентирован в основном на работу удаленного пользователя с реальной экспериментальной установкой, однако в нем присутствуют положения, относящиеся к ВЛП, использующим модели и имитаторы реальных объектов.

Одним из важнейших достоинств ОСТ.19-98 является определение терминологии, что снимает ряд разночтений и вариантов толкований:

  1. Система автоматизированного лабораторного практикума (АЛП). Синоним  "автоматизированная система лабораторного практикума". Комплекс технических, программных и методических средств, обеспечивающих автоматизированное проведение лабораторных работ и экспериментальных исследований непосредственно на физических объектах и (или) математических моделях.
  2. Удаленный компьютерный доступ. Режим функционирования системы АЛП, при котором работа с физическим объектом осуществляется с компьютера, удаленного на сколь угодно большое расстояние от места размещения самого объекта.
  3. Объект системы АЛП. Физический объект (лабораторный стенд, промышленная установка и т.д.), используемый для обучения или экспериментального исследования по определенной тематике или группе дисциплин (отдельной дисциплине или ее части).
  4. Субъект системы АЛП. Пользователь системы АЛП (обучаемый, преподаватель, лаборант и т.д.), работающий в настоящий момент с объектом системы АЛП.
  5. Подсистема АЛП. Часть системы АЛП, отличающаяся функциональным назначением (например, подсистема автоматизированного управления физическим объектом, подсистема измерения и сбора данных, подсистема телекоммуникации и т.п.).
  6. Объектовый уровень системы АЛП. Совокупность подсистем АЛП, территориально размещаемых в одном месте с объектом системы АЛП и непосредственно связанных с физическим объектом рядом сигнальных линий (например, подсистема автоматизированного управления, подсистема измерения и т.п.).
  7. Пользовательский уровень системы АЛП. Совокупность подсистем АЛП, обеспечивающая взаимодействие пользователя с объектовым уровнем системы АЛП (например, рабочие места пользователей, подсистема сбора и обработки данных).
  8. Вычислительная система АЛП. Синоним  "компьютерная система АЛП". Система обработки данных, настроенная на решение задач конкретной области применения и работающая с данными, представленными в закодированной форме.
  9. Система передачи данных. Взаимодействующий комплекс технических и программных средств, линий связи и протоколов, обеспечивающих передачу данных между подсистемами АЛП.
  10. Многопользовательский режим работы системы АЛП. Синоним  "режим коллективного пользования системой АЛП". Режим работы системы АЛП, при котором несколько субъектов системы АЛП работают с одним изучаемым объектом в режиме реального времени по запросу со стороны пользователя системы.

К сожалению, большинство разработок ВЛП лишь частично соответствуют данному ОСТу, так как начинались до его принятия. Кроме этого, подобные разработки велись, зачастую, в инициативном порядке и имели целью определить саму возможность реализации идей, а не получить готовый продукт. Этот этап в большинстве ВУЗов уже пройден, и соответствие стандартам должно стать одним и необходимых условий разработки, реализации и внедрения ВЛП. Организационные вопросы применения стандартов, видимо должны решаться администраторам образовательных порталов, размещающих ВЛП и санкционирующих их использование.

Прежде всего, попытаемся определить наиболее общие положения, на основе которых строятся и должны строиться ВЛП исходя из задач, решаемых с их помощью. Следует отметить, что существует несколько различных видов задач, решаемых с помощью лабораторного практикума. Попробуем дать некоторую классификацию с точки зрения обучаемого:

  1. экспериментальное исследование положений лекционного курса, служащее для закрепления неочевидного материала, усвоения количественных и качественных зависимостей теоретической части курса, феноменологические эксперименты (физика, химия, электротехника и т.п.);
  2. экспериментальное исследование устройств, приборов, систем, описываемых в теоретической части курса;
  3. изучение внутренних принципов действия изучаемых объектов (техника, в т.ч.  электроника, радиотехника, транспорт, связь, энергетика и т.п.);
  4. изучение контрольно-измерительного, технологического и иного оборудования, необходимого в профессиональной деятельности будущего специалиста (техника  все отрасли);
  5. получение навыков использования типового контрольно-измерительного оборудования в изучаемой отрасли.

Оговорка “с точки зрения обучаемого" не случайна.

Действительно, с одной стороны ВУЗ должен научить студента и в этом случае задачи совпадают. Однако помимо учебного процесса ВУЗ должен решать и множество других задач организационно-административного характера. Например обеспечение постоянной работоспособности оборудования лабораторий, доступа к уникальным лабораторным установкам, организацию служб поддержки учебных лабораторий (лаборанты, инженеры и др. штатные сотрудники) и т.д. и т.п. В связи с этим ВЛП призваны решать и другие задачи, прямо не связанные с учебным процессом:

  1. организация совместного и одновременного доступа к уникальному оборудованию,
  2. сокращение штатов учебно-вспомогательного персонала лабораторий,
  3. высвобождение площадей,
  4. снижение расходов по приобретению оборудования,
  5. сокращение эксплуатационных расходов,
  6. обеспечение безопасности экспериментов с потенциально опасными объектами и т.д.

Таким образом, становится очевидным, что через несколько лет без ВЛП инженерное образование уже вряд ли сможет обходиться. В то же время, очевидно, что далеко не все эксперименты могут быть виртуальными. Попробуем определить области применимости ВЛП. Главным критерием применимости будем считать адекватность организации управления экспериментом и представления результатов.

Сразу необходимо отметить, что с помощью ВЛП практически невозможно получение навыков использования реального оборудования. Для этих целей служат тренажеры, описание которых выходит за рамки данной работы. Как бы хорошо не было построено изображение реальных приборов на экране монитора, это будет лишь изображением. При долгой работе с таким ВЛП у обучаемого появится навык управления оборудованием при помощи мыши или клавиатуры, но отнюдь не при помощи реальных органов управления  кнопок, регуляторов, рукояток и т.п. Более того, такой опыт может быть вреден, так как придется ломать моторную память при переходе на реальную установку. Итак, задача 4 при помощи ВЛП решаться не может. А что же задача 3? Здесь ВЛП вполне применимы, но только вместе с изучением реального оборудования. ВЛП в этом случае весьма полезны для изучения принципов действия, типовых реакций оборудования на какие либо воздействия и т.д. то есть, фактически, решается задача 2, в которой объектом исследования выступает изучаемое измерительное оборудование.

Задача 2 является наиболее адекватной ВЛП здесь измерительное оборудование, в подавляющем большинстве случаев, выполняет лишь индикаторные функции  отображает некоторые параметры изучаемого объекта. В то же время сам объект скрыт от наблюдения студент видит его модель в виде нарисованной на панели структурной, функциональной или принципиальной схемы. Очевидно, что нет разницы между схемой нарисованной на панели лабораторного стенда и схемой, показываемой на экране монитора. В этом случаем объект изучения может быть вообще заменен его математической моделью или имитатором. Более того, компьютерное моделирование позволяет значительно усилить дидактические свойства эксперимента. К примеру, при изучении электродинамики компьютерное моделирование позволяет визуализировать процессы распространения радиоволн, происходящие внутри приборов. Конечно, в реальном эксперименте наблюдать радиоволны невозможно.

При решении задачи 1 необходимо принимать решение в каждом конкретном случае, скажем в химии задача 1 очень часто совмещена с задачей 4 и тогда нужна реальная работа, а в физике (для инженеров) наоборот, большая часть экспериментов может быть легко заменена моделированием без потери дидактических свойств, а чаще даже с их усилением.

Классификации с точки зрения студента и с точки зрения ВУЗа очевидны, но не единственны. Далее рассмотрим другие подходы к классификации ВЛП:

  1. ВЛП с удаленным доступом к объекту изучения,
  2. ВЛП с компьютерным (математическим) моделированием объекта изучения.

Первый тип предполагает наличие оборудования, в достаточной степени уникального, что бы организовать к нему совместный доступ многим пользователям.

ВЛП второго типа, в свою очередь, подразделяются на несколько видов:

  1. Моделирование производится при помощи уникального программного обеспечения (ПО), передаваемого пользователю на компьютерных носителях, в том числе  через Интернет.
  2. Моделирование производится при помощи типового ПО (MATLAB, MathCAD и т.д.) на основе фиксированных (заранее подготовленных) задач. Пользователю передаются инструкции и файлы задач. Предполагается, что типовое ПО у пользователя имеется.
  3. Моделирование производится специализированным Web-сервером ВУЗа, получающим задание через Web-интерфейс при помощи, например, CGI-механизма.
  4. Моделирование производится при помощи специально выделенного компьютера, задание передается по локальной сети от сервера ВУЗа. Пользователь работает через Web-интерфейс или через электронную почту.
  5. Моделирование производится на компьютере пользователя при помощи встроенных механизмов операционных систем  например при помощи скриптов на языках JavaScript, DHTML, или Java-апплетов.

Последние три разновидности используют сеть Интернет в качестве транспортной среды, а так же в качестве системы, стандартизующей некоторые параметры информационного обмена. Эти подходы являются наиболее легко реализуемыми во многих случаях.

Компьютерные лабораторные практикумы в высших технических учебных заведениях дополняют занятия на традиционных лабораторных установках. Это объясняется возможностями компьютерного моделирования, которые недоступны в реальном лабораторном эксперименте. Предлагается постановка и компьютерная реализация задач, связанных с преподаванием дисциплины “Электродинамика”.

Организация лабораторного практикума по электродинамике сопряжена с рядом принципиальных трудностей. Это в первую очередь то, что человеческие органы чувств не воспринимают действие электромагнитного поля радиочастотного диапазона, а, значит, отсутствует наглядность экспериментов. Значительную трудность представляет разработка лабораторных установок, обладающих необходимой надежностью и работоспособных в пытливых, но неумелых руках студентов. В настоящее время основным является теоретический подход к изучению электродинамики. Реальный эксперимент в учебной лаборатории электродинамики может лишь подтверждать некоторые моменты теоретических построений.

Для организации лабораторных работ и научных исследований на новом, более высоком уровне было осуществлено моделирование лабораторных стендов на основе использования мощной и гибкой программной среды, применяемой для проведения измерений и анализа полученных данных – LabVIEW фирмы National Instruments.

Многоплатформенная среда LabVIEW [1 – 8] была применена в качестве стандартного инструмента для сбора данных и управления виртуальными приборами в нескольких компьютерных лабораторных работах при изучении ряда физических процессов, таких как поляризация электромагнитных волн, волновые явления на границе раздела двух сред, электромагнитное поле в прямоугольном волноводе. Эти лабораторные работы предназначены для использования в лабораторном практикуме по дисциплине “Электродинамика”.

Наряду с использованием парка лабораторных измерительных приборов переход на систему LabVIEW позволил также не только моделировать приборы, но и реализовать в учебном процессе понятия о принципах их функционирования, влиянии параметров на результаты, причинах появления погрешностей и методах их уменьшения.

Применение системы LabVIEW и технологий National Instruments в целом дало возможность организовать проведение лабораторных работ и научных исследований с целым рядом преимуществ по сравнению с работой на традиционных стендах.

Целью дипломной работы является разработка компьютерной лабораторной работы для исследования поляризации электромагнитных волн с использованием среды графического программирования LabVIEW.

Целью разрабатываемой компьютерной лабораторной работы “Поляризация электромагнитных волн” является изучение поляризации электромагнитной волны и исследование с помощью виртуальной лабораторной установки различных видов поляризации.


Глава 1. Основные принципы построения виртуального лабораторного практикума

1.1. Виртуальные модели в лабораторном практикуме

Лабораторные работы – один из самых эффективных методов закрепления теоретических знаний и обучения практическим навыкам. Качественное образование требует поддержания должного уровня технической оснащенности учебных лабораторий, в частности, предполагается полная или частичная автоматизация приборов и систем. В настоящей главе описывается опыт использования открывающихся при этом возможностей организации учебного процесса.

При проведении лабораторных работ основной проблемой, с которой сталкиваются и преподаватели и студенты – нехватка времени для их проведения. Это стало особенно заметно с внедрением новых стандартов образования, которые подчас не учитывают, что имеющаяся база не используется полностью в связи с недостаточным количеством часов лабораторного курса. Таким образом, становится актуальной задача интенсификации обучения с использованием современных информационных технологий.

В выполнении лабораторных работ можно выделить несколько этапов:

  1. Теоретическая подготовка.
  2. Практическая подготовка.
  3. Выполнение лабораторной работы.
  4. Обработка и оформление результатов.

При внимательном рассмотрении каждого из этапов можно заметить, что большая часть времени у студентов уходит на подготовку, а также на обработку и оформление результатов лабораторной работы. Для самого эксперимента остаётся мало времени, хотя именно овладение практическими навыками работы с физическими приборами и является целью лабораторного курса. При этом основной проблемой студентов при выполнении практических работ является нехватка времени на освоение аппаратуры. Предполагалось, что возможность удалённого взаимодействия позволит решить эту проблему за счёт дистанционного выполнения, не требующего присутствия студента в лаборатории. На сегодняшний день подобный подход к организации лабораторных работ является весьма популярным и широко используемым. Однако при данном подходе  возникают задачи иного характера: организация постоянного свободного доступа студентов к ресурсам, позволяющим удалённо выполнять лабораторные работы; дополнительный персонал, который осуществлял бы контроль за работоспособностью установок во внеучебное время, а также проблемы механизации работ.

В результате мы видим, что применение метода удалённого эксперимента в рамках решаемых задач не является оптимальным.

Более эффективным представляется использование виртуальных моделей систем для самостоятельной подготовки студентов к лабораторным работам. Модель в данном случае представляет собой сложную модульную структуру, включающую в себя математическую модель самой системы, модели устройств (генератор, детекторы…), с помощью которых проводятся измерения на практике, обладающие всеми присущими им характеристиками.

Как и в случае с реальной установкой, в результате работы с моделью создаётся файл с данными для дальнейшего анализа студентом.

Поскольку при выполнении лабораторных работ огромная часть времени уходит на понимание того, как работать с установкой, то, загрузив модель, студент имеет возможность заранее подготовиться, освоив оборудование, изучив его работу в различных режимах. Он получает возможность на практике проверить свои знания. Результирующий файл данных также способствует подготовке, так как студент имеет возможность предварительно освоить работу по анализу полученных данных

На рис. 1.1 представлена структурная схема лабораторной работы.

Рис. 1.1. Структурная схема лабораторной работы

Используя технологию виртуальных инструментов, у нас есть возможность полностью воспроизвести интерфейс реального прибора в виде виртуальной модели, сохраняя все его функциональные возможности.

Студенту даётся программа, которую он запускает на  своём компьютере, в результате чего может приобрести практические навыки работы с приборами. Это приводит к значительной экономии времени на практических занятиях. Более того, при разработке эмулятора используются модели устройств, работающие по тем же принципам, что и реальные (амплитудно-фазовые детекторы, фильтры...) Их параметры и принцип работы можно легко изменять, наблюдая, как это отражается на результатах измерений. Возможно даже самостоятельное проектирование подобных компонент студентами в качестве самостоятельных работ по соответствующим курсам.

В результате использования виртуальных моделей мы получаем следующие основные возможности.

  1. Качественная подготовка студентов к выполнению лабораторных работ и работе с аппаратурой.
  2. Возможность углублённого изучения студентами явлений в измерительных системах при проектировании моделей систем  и приборов.
  3. Возможность подготовки студентов по соответствующим курсам, решая реальные, а не абстрактные задачи.


1.2. Виртуальная лаборатория

Важным этапом эффективного образовательного процесса является физический эксперимент, стимулирующий активную познавательную деятельность и творческий подход к получению знаний. При традиционных формах образовательного процесса такая возможность реализуется в ходе выполнения необходимого комплекса лабораторных работ или практических занятий. Однако при дистанционном обучении подобная активизация творческой деятельности ограничена очевидными техническими сложностями. Одним из путей решения данной проблемы может стать возможность активного дистанционного эксперимента в единой информационно-коммуникационной обучающей среде. Другим фактором, обуславливающим актуальность проблемы активного дистанционного эксперимента, является ограниченная возможность доступа обучающихся к наиболее интересному и уникальному оборудованию, техническим объектам, научным и технологическим экспериментам, которые подчас представляют наибольший интерес и стимулируют получение знаний. Даже в пределах одного учебного заведения массовый доступ к уникальному учебному оборудованию подчас представляет определенную проблему. В то же время трудно переоценить возможность любого ученика или студента "прикоснуться" к лучшим в мире и уникальным стендам, промышленным объектам, научным экспериментам.

Ключевой особенностью, отличающей физический эксперимент от других способов получения знаний, является процесс получения и обработки экспериментальных данных - количественных характеристик реальных физических величин, определяющих поведение исследуемого объекта, процесса или явления, подтверждающих или опровергающих сформулированные целевые функции проведения эксперимента. Как разновидность физического эксперимента можно выделить обучающий физический эксперимент, ставящий целью отработку основных приемов и технологий планирования и проведения эксперимента, включая его основные этапы: формулировка цели и задач исследований, определение способов и методов достижения цели, используемое оборудование и технологии. В условиях дистанционного обучения традиционные формы лабораторного практикума дополняются виртуальной лабораторией, использующей технологию имитационного математического моделирования физического эксперимента с привлечением аппаратно-программных (технических) средств визуализации, компьютерной графики и анимации для достижения эффективного интерактивного взаимодействия пользователя (обучаемого, экспериментатора) со средой моделирования.

Составной частью понятия “виртуальная лаборатория” является распространенное техническое понятие виртуального инструмента – набора аппаратных и программных средств, добавленных к обычному компьютеру таким образом, что пользователь получает возможность взаимодействовать с компьютером как со специально разработанным для него обычным электронным прибором. Существенная часть виртуального инструмента и виртуальной лаборатории – эффективный графический интерфейс пользователя, т.е. программный инструментарий с развитой системой графического меню в виде наглядных графических образов привычной предметной области пользователя, обеспечивающий удобный интерактивный режим его взаимодействия с компьютером. Работая с виртуальным инструментом через графический интерфейс, пользователь на экране монитора видит привычную переднюю панель, имитирующую реальную панель управления нужного прибора. В качестве примера на рис. 1.2 приведена передняя панель системы мониторинга температуры.

Рис. 1.2. Пример передней панели виртуального прибора

С помощью “мыши” можно имитировать воздействия на понятные “органы управления” кнопки, переключатели, регуляторы и т.д., “нарисованные” на экране монитора в виде передней панели имитируемого прибора. Обширная библиотека виртуальных инструментов имитирует действие любого нужного измерительного прибора или системы, максимально приспособленных для решения конкретной поставленной задачи. Передняя панель или иерархия передних панелей, вызываемых по мере необходимости перехода в тот или иной режим работы, позволяет оптимально планировать управление экспериментом. Ограничениями в выборе архитектуры и функциональных возможностей становятся лишь характеристики компьютера, существующая библиотека математических функций и фантазия разработчика. Учебная виртуальная лаборатория законченный программный продукт, характерной особенностью которого является использование современных концепций проектирования больших программных систем, ориентированных на повышение эффективности автоматизированного проектирования. Одним из наиболее наглядных и представительных примеров реализации концепции виртуального инструмента является упоминавшийся выше пакет LabVIEW.

Итак, виртуальную лабораторию можно рассматривать как аппаратно-программный инструментарий, используемый в качестве объектно-ориентированной информационной среды для эффективного интерактивного взаимодействия пользователя со средой моделирования. Это позволяет обучающемуся, расположенному на любом расстоянии от объекта, в интерактивном режиме оперативно конструировать в операционной среде компьютера изображение передней панели нужного инструмента или группы инструментов – испытательную лабораторию для выполнения требуемой задачи. Наконец, важным преимуществом виртуальной лаборатории является возможность наглядной имитации реального физического эксперимента путем использования, наряду с привычными изображениями приборов, не только имитационных моделей реальных сигналов, но также и полученных ранее реальных экспериментальных данных, хранящихся в соответствующих файлах.

1.3. Системы автоматизации научных исследований

В настоящее время решение большинства задач по автоматизации измерений параметров различных процессов сводится к использованию подключаемых или встраиваемых в персональный компьютер цифровых осциллографов, плат ввода/вывода аналоговых и цифровых данных, генераторов сигналов и других устройств. В этом случае проблема создания программного обеспечения с необходимой функциональностью, взаимодействующего с аппаратными средствами, выходит на первый план.

Естественно, на рынке присутствует достаточное количество компаний (дистрибьюторов, интеграторов и т.д.), предлагающих стандартные программно-аппаратные решения. Несомненным достоинством использования их услуг является поставка системы “под ключ” и последующая техническая поддержка. В то же время дальнейшая модификация системы, внесение необходимых изменений (например, дополнительная обработка данных, передача данных по компьютерной сети, создание базы данных измерений и т.д.) может быть выполнена только силами поставщика системы и потребует существенных материальных затрат. Конечно, можно договориться о передаче вам исходного кода программы для дальнейшей модификации. Но много ли компаний имеют штат высококвалифицированных программистов, имеющих опыт работы с аппаратными средствами, для чтения и изменения строк программного кода, написанного другими специалистами, например, на С++?

Необходимо отметить, что проблемы подобного плана возникают не только на производстве, но и при проведении научных исследований и технических разработок. По этой причине важность проведения обучения студентов современным системам сбора данных в высших учебных заведениях очевидна.

В Международном учебно-научном лазерном центре и на физическом факультете МГУ им. М.В. Ломоносова преподавание основ создания систем сбора, обработки данных и управления измерениями проводятся уже более 8 лет, за это время накоплен огромный опыт педагогической и практической работы. На основе анализа различных платформ автоматизации измерений был сделан выбор в пользу программно-аппаратного комплекса National Instruments LabVIEW, который де-факто является международным стандартом в системах сбора данных и управления.

Полностью графический интерфейс среды разработки является огромным преимуществом LabVIEW по сравнению с обычными текстовыми языками программирования. Логика программирования целиком базируется на принципах создания алгоритмических блок-схем работы приложения, хорошо знакомых всем инженерам и ученым. Как следствие, наглядность создания программы приводит к хорошей читаемости кода и простоте его модификации.

Результатом совместной деятельности МЛЦ МГУ и корпорации National Instruments стало создание в 2004 году авторизованного учебного центра “Современные системы автоматизации научных исследований”. Центр укомплектован самыми современными компьютерами и оборудованием. Каждое рабочее место оснащено системой ввода-вывода сигналов (на базе многофункциональных плат National Instrument), системой технического зрения и комплектом оборудования для изучения работы с приборами интерфейсов GPIB и RS-232. Кроме этого ряд учебных стендов комплектуются системой распределенного ввода-вывода cRIO на базе программируемого контроллера автоматизации, портативной системой сбора данных на базе КПК и программируемым модулем с цифровым сигнальным процессором Texas Instruments. Обучение проводится опытными преподавателями, сертифицированными компанией National Instruments. С подробным описанием оборудования, содержанием учебных курсов, примерами созданных систем автоматизации, а также другой информацией об учебном центре можно ознакомиться на сайте http://labview.ilc.edu.ru.

Какие выводы можно сделать по прошествии времени? Безусловно, на LabVIEW можно создавать любые приложения, но наибольшее преимущество перед другими языками программирования достигается только при взаимодействии с оборудованием. Программный комплекс LabVIEW поддерживает работу с огромным количеством внешних и встраиваемых устройств: многоканальными системами ввода/вывода аналоговых и цифровых сигналов на базе ПК или промышленного компьютера PXI, системами распределенного сбора данных и управления, программируемыми контроллерами автоматизации (PAC, PLC), микроконтроллерами, цифровыми сигнальными процессорами (DSP), различными системами технического зрения, системами управления перемещениями (шаговые и сервоприводы), портативными системами сбора данных и управления на базе КПК, различными интерфейсными (RS-232/RS-485, GPIB) и коммуникационными модулями и т.д. Перечисленные выше достоинства LabVIEW дают весомые основания для включения этого программного пакета в курс обучения студентов высших учебных заведений естественно-научных и технических специальностей.

Изучение студентами программирования в среде LabVIEW на хорошем уровне занимает один семестр, по завершении которого они должны представить реализованную систему автоматизации одного стендов практикума. В центре созданы более 15 экспериментальных стендов для создания систем автоматизации измерений и автоматического управления процессами, которые тематически можно объединить в группы:

  1. ввод-вывод аналоговых сигналов,
  2. ввод-вывод цифровых сигналов и управление элементами системами,
  3. дистанционный сбор данных и управления,
  4. портативные системы сбора данных,
  5. системы технического зрения и обработки видеоинформации,
  6. программирование микроконтроллеров и цифровых сигнальных процессоров,
  7. управление внешними модульными приборами.

С учебной и практической точки зрения к несомненным достоинствам LabVIEW можно отнести возможность совмещения технологий компьютерного моделирования, виртуального управления и натурного сбора данных. Кроме этого, в среду LabVIEW встроена возможность организации удаленного доступа к учебным стендам через Интернет. Предоставление слушателям возможности удаленной работы в настоящих лабораториях когда угодно и откуда угодно при помощи стандартных программ, например веб-браузера, является актуальным вопросом на фоне общего роста интереса к технологиям удаленного управления и обслуживания. Благодаря этому подходу, специалисты с производства, преподаватели и студенты других учебных заведений могут получить дистанционный доступ к нашей лабораторной базе.

На волне постепенного экономического подъема производства в нашей стране постепенно происходит его реструктуризация и модернизация. Как следствие, у предприятий появляется острая необходимость в квалифицированных специалистах, способных создавать и обслуживать современные системы управления. Существенную помощь в решении этих проблем могут оказать молодые специалисты, изучавшие программный комплекс LabVIEW в высшем учебном заведении. Опытные специалисты со стажем часто не могут эффективно в полной мере использовать возможности, предоставляемые современными системами, для этого необходимы дополнительные знания, которые можно получить на курсах повышения квалификации.

Предложенный подход к построению лабораторных комплексов направлен на повышение уровня теоретических знаний и практического умения студентов, а также творческого креативного мышления. В дальнейшем предполагается поэтапно модернизировать имеющиеся программные модули, а также разработать новые компьютерные лабораторные работы по электродинамике и другим техническим дисциплинам, что позволит более эффективно использовать программную среду LabView [1 – 8].

1.4. Автоматизация лабораторных стендов

Применение информационных технологий в учебном процессе приводит к расширению методов и форм обучения,  опирающихся  на  возможности  вычислительной  техники. Для организации проведения лабораторных работ и научных исследований на новом, более высоком уровне было осуществлено моделирование лабораторных стендов на основе использования мощной и гибкой программной среды, применяемой для проведения измерений и анализа полученных данных – LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) [1].

Используемая в LabVIEW концепция виртуальных приборов позволила создавать сложные системы обработки информации с использованием изолированных блоков, некоторых аналогов подпрограмм, виртуальных приборов, работающих с потоками информации. Созданные при этом программы обладают широким, гибко настраиваемым функционалом по обработке информации, который при необходимости может достичь высокого быстродействия (вплоть до режима реального времени) [2].

Многоплатформенная среда LabVIEW была применена в качестве стандартного инструмента для сбора данных и управления виртуальными приборами в нескольких компьютерных лабораторных работах при изучении ряда физических процессов, таких как поляризация электромагнитных волн, волновые явления на границе раздела двух сред, электромагнитное поле в прямоугольном волноводе. Эти лабораторные работы предназначены для использования в лабораторном практикуме по дисциплинам “Электромагнитные поля и волны” и “Электродинамика”.

Наряду с использованием парка лабораторных измерительных приборов переход на систему LabVIEW позволил также не только моделировать приборы, но и реализовать в учебном процессе понятия о принципах их функционирования, влиянии параметров на результаты, причинах появления погрешностей и методах их уменьшения.

Применение системы LabVIEW и технологий National Instruments в целом дало возможность организовать проведение лабораторных работ и научных исследований с целым рядом преимуществ по сравнению с работой на традиционных стендах, а именно:

  1. технология виртуальных приборов позволила повысить наглядность полученных результатов измерений, ускорить их понимание, а также визуально прослеживать имеющиеся зависимости исследуемых величин и определять основные закономерности взаимодействий;
  2. представление информации в табличной, цифровой или графической форме позволило производить ее предварительную обработку с целью масштабирования, пересчета величин и координат, нормирования и т.д.;
  3. удобство хранения и обработки информации избавило от необходимости проведения повторных экспериментов, что дало возможность создания электронных баз данных;
  4. результаты экспериментов, проведенных с применением технологий виртуальных приборов, отличаются большей достоверностью, точностью и воспроизводимостью; математические модели, полученные на основе данных, предоставленных LabVIEW, являются адекватными и значимыми;
  5. в рамках разработанного программного комплекса составление отчета по экспериментальной части лабораторной работы выполняется автоматически: сгенерированный отчет содержит информацию о пользователе, выполнившем работу, результаты выполненных измерений в табличном виде, графические пояснения, ответы решенных задач.

В дальнейшем предполагается поэтапно модернизировать имеющиеся модули на основе современной элементной базы, а также разработать новые модули, что позволит более эффективно использовать программное  обеспечение фирмы National Instruments. Перспективным направлением данного подхода является вовлечение студентов в исследовательскую работу, что позволит развивать лабораторную базу при активном участии студентов.

1.5. Лабораторный практикум удаленного доступа

Важным этапом эффективного образовательного процесса является физический эксперимент, стимулирующий активную познавательную деятельность и творческий подход к получению знаний. При традиционных формах образовательного процесса такая возможность реализуется в ходе выполнения необходимого комплекса лабораторных работ или практических занятий. Однако существует проблема ограниченности доступа обучающихся к наиболее интересному и уникальному оборудованию, техническим объектам, научным и технологическим экспериментам, которые подчас представляют наибольший интерес и стимулируют получение знаний. Даже в пределах одного учебного заведения массовый доступ к уникальному учебному оборудованию представляет определенную проблему. Одним из путей решения данной проблемы может стать возможность активного дистанционного эксперимента в единой информационно-коммуникационной обучающей среде.

Ключевой особенностью, отличающей физический эксперимент от других способов получения знаний, является процесс получения и обработки экспериментальных данных количественных характеристик реальных физических величин, определяющих поведение исследуемого объекта, процесса или явления, подтверждающих или опровергающих сформулированные целевые функции проведения эксперимента. Как разновидность физического эксперимента можно выделить обучающий физический эксперимент, ставящий целью отработку основных приемов и технологий планирования и проведения эксперимента, включая его основные этапы: формулировка цели и задач исследований, определение способов и методов достижения цели, используемое оборудование и технологии. В условиях дистанционного обучения традиционные формы лабораторного практикума дополняются виртуальной лабораторией, использующей технологию имитационного математического моделирования физического эксперимента с привлечением аппаратно-программных (технических) средств, компьютерной графики и анимации для достижения эффективного интерактивного взаимодействия пользователя (обучаемого, экспериментатора) со средой моделирования.

Составной частью понятия «виртуальная лаборатория» является распространенное техническое понятие виртуального инструмента – набора аппаратных и программных средств, добавленных к обычному компьютеру таким образом, что пользователь получает возможность взаимодействовать с компьютером как со специально разработанным для него обычным электронным прибором. Существенная часть виртуального инструмента и виртуальной лаборатории – эффективный графический интерфейс пользователя, то есть программный инструментарий с развитой системой графического меню в виде наглядных графических образов привычной предметной области пользователя, обеспечивающий удобный интерактивный режим его взаимодействия с компьютером. Работая с виртуальным инструментом через графический интерфейс, пользователь на экране монитора видит привычную переднюю панель, имитирующую реальную панель управления нужного прибора [1].

Для создания лабораторных практикумов удаленного доступа требуется обеспечить удаленный мониторинг и супервизорное управление, используя локальные сети или Интернет. Для пользователя также важно, чтобы такое расширение не приводило к значительному увеличению объема работ по программированию и/или стоимости системы. Реализовать такую функцию можно, используя технологию преобразования управляющих приложений в HTML документы, которые могут быть опубликованы в локальной сети и/или Интернет. В этом случае компьютер, подключенный к аппаратуре ввода/вывода, становится сервером данных, а удаленные ПК играют роль клиентов. При этом, специализированное программное обеспечение исполняется только на серверной платформе, а клиенты используют офисные средства Web-браузеров [2].

Оптимальным решением для создания лабораторных практикумов удаленного доступа является графическая программная технология, реализованная в среде программирования LabVIEW. LabVIEW  графическая альтернатива обычному программированию позволяет решать те же проблемы, что и обычные системы текстового программирования, плюс проблемы создания систем сбора данных, мониторинга, испытаний, измерений и управления. С помощью LabVIEW можно создавать графические программы, называемые виртуальными приборами (ВП), вместо написания традиционных текстовых программ. При использовании ВП имеется возможность обмениваться данными с другими программами на собственном компьютере в локальной сети и/или Интернет [3].

В среде LabVIEW предоставлены большие возможности для реализации обмена данными через TCP/IP сети. Основой для передачи данных служит Web-сервер и инструмент WEB Publishing Tool, которые входят в любой из вариантов поставки LabVIEW. Web сервер LabVIEW генерирует HTML документы, публикует изображения передней панели в Сети путем встраивания ВП в Web страничку. Пользователю доступны возможности разграничения доступа браузеров к публикуемым передним панелям и назначения элементов управления и/или индикации, которые будут видимы в Интернете.

Существуют следующие возможности работы в удаленном режиме:

  1.  Дистанционное наблюдение (мониторинг) процессы, происходящие в лаборатории, наблюдаются через Web-браузер. При этом отсутствует обратная связь и возможность вмешиваться в управление процессом.
  2.  Дистанционное управление появляется возможность изменять данные, управлять процессами, отправлять сообщения.
  3. Совместная работа возможна работа сразу нескольких пользователей с одним ВП, которые могут совместно создавать отчеты и общаться между собой.

Глава 2. Применение среды программирования LabVIEW для создания виртуального лабораторного практикума

2.1. Обзор литературы по LabVIEW

В последние годы в России издан ряд книг по LabVIEW, написанных авторами В. К. Батовриным, В. В. Каратаевым, П. А. Бутыриным и их коллегами [1 , 4]. Следует здесь также отметить весьма содержательную книгу-справочник по функциям LabVIEW автора А. Я. Суранова [5]. Большую популярность в среде пользователей LabVIEW имеет книга Л. И. Пейч, Д. А. Точилина, Б. П. Поллака [6]. Хорошим стартовым руководством может послужить книга Джеффри Тревиса [7].

По содержанию основная часть известных книг по LabVIEW предназначена для пользователей, желающих использовать LabVIEW, главным образом, как средство программирования. Другая часть книг посвящена применению LabVIEW в рамках инструментария, используемого в лабораторном практикуме или для автоматизации физических исследований.

Основное отличие книги [8] заключается в том, что методика и ход изложения материала в этой книге связаны с получением или повышением профессиональных знаний в конкретной предметной области. При таком подходе LabVIEW является общим фоном, на котором читатель изучает какой-либо академический курс или предметную область.

Особенность книги [8] состоит в том, что возможности LabVIEW как среды программирования демонстрируются на примерах в конкретной предметной области. Эта предметная область  цифровая обработка сигналов, радиоэлектроника, компьютерные измерения и автоматизация эксперимента, электродинамика и распространение радиоволн. Мы полагаем, что в этом случае мотивация изучения LabVIEW у читателя будет значительно выше. Большая часть примеров в книге строится по известным методическим принципам «шаг за шагом», «от простого к сложному» или «делай как я», показавшим свою эффективность на курсах изучения LabVIEW.

2.2. Обзор среды графического программирования LabVIEW

Среда разработки лабораторных виртуальных приборов LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) представляет собой среду прикладного графического программирования, используемую в качестве стандартного инструмента для проведения измерений, анализа их данных и последующего управления приборами и исследуемыми объектами. LabVIEW может использоваться на компьютерах с операционными системами Windows, MacOS, Linux, Solaris и HP-UX. Компьютер, оснащенный измерительно-управляющей аппаратной частью и LabVIEW, позволяет полностью автоматизировать процесс физических исследований. Создание любой программы для достижения этих целей (виртуального прибора) в графической среде LabVIEW отличается большой простотой, поскольку исключает множество синтаксических деталей.

Особо следует отметить динамику развития LabVIEW. Первая его версия была создана в 1986 году компанией National Instruments в результате поисков путей сокращения времени программирования измерительных приборов. Версии LabVIEW с второй по седьмую проявлялись в 1990, 1992, 1993, 1996, 2000 и 2003 годах. Каждая последующая существенно расширяла возможности предыдущей версии и прежде всего по обмену данных с измерительными приборами и работе с другими программными продуктами.

Сфера применимости LabVIEW также непрерывно расширяется. В образовании она включает лабораторные практикумы по электротехнике, механике, физике. В фундаментальной науке LabVIEW используют такие передовые центры как CERN (в Европе), Lawrence Livermore, Batelle, Sandia, Oak Ridge (США), в инженерной практике - объекты космические, воздушного, надводного и подводного флота, промышленные предприятия и т.д.

LabVIEW является идеальным программным средством для создания систем измерения, а также систем автоматизации управления на основе технологии виртуальных приборов. LabVIEW-программа в комплексе с такими аппаратными средствами, как встраиваемые в компьютер многоканальные измерительные аналого-цифровые платы, платы захвата и синхронизации видеоизображения для систем машинного зрения, платы управления движением и исполнительные механизмы, а также измерительные приборы, подключаемые к компьютеру через стандартные интерфейсы RS-232, RS-485, USB, GPIB (КОП), PXI, VXI, позволяет разрабатывать системы измерения, контроля, диагностики и управления практически любой сложности.

LabVIEW имеет собственную мощную математическую поддержку. Кроме того, LabVIEW может интегрировать в себя программы, написанные в среде MATLAB. Большое количество встроенных алгоритмов цифровой обработки одномерных и двумерных сигналов позволяет осуществлять весьма сложную обработку сигнала, изображения и экспериментальных данных во временной, пространственной и спектральной областях. Программная среда LabVIEW постоянно расширяется новыми средствами обработки сигналов на основе вейвлет анализа, алгоритмов нечеткой логики, сетевых технологий и т.д.

Роль программных сред, подобных LabVIEW, в научных исследованиях и технических экспериментах весьма велика. В настоящее время в науке наблюдается своего рода «ренессанс» эксперимента. Вызвано это развитием и совершенствованием измерительной техники и появлением нового поколения высокоточных и высокочувствительных измерительных приборов и автоматизированных измерительных систем, с помощью которых регистрируются тонкие эффекты 3-4-го порядка малости. Несмотря на свою «малость», эти эффекты часто играют ключевую роль в формировании основного явления, влияния на качество конечной продукции и т. д. Анализ подобных эффектов, как правило, оказывается вне досягаемости теоретических моделей. Поэтому в большинстве случаев эксперимент является единственным источником качественно новой и надежной информации. При этом результат достигается гораздо быстрее, чем методами «чистой» теории. Зачастую это выгодно и экономически, так как рядовой экспериментатор, вооруженный современным инструментарием, подобным LabVIEW, может достаточно скоро получить нужную информацию.

Традиционно для исследователя функции моделирования и экспериментирования разделены. Моделирование осуществляется в среде математических программных пакетов, а эксперименты поддерживаются другими программными средствами, что отнюдь не повышает эффективность исследований. Эффективность использования среды LabVIEW в научных исследованиях состоит в том, что, оставаясь в ее рамках, можно разрабатывать как математическую модель объекта, так и снабжать эту модель экспериментальными данными с помощью аппаратных средств ввода-вывода, сопряженных с реальным объектом.

2.3. LabVIEW как интегрированная среда разработки

Для управления аналого-цифровым преобразователем и создания интерфейса программы можно воспользоваться любой средой разработки, например, использовать Visual Basic, но наиболее полно раскрыть концепцию виртуальных инструментов позволит среда разработки LabVIEW от компании National Instruments.

Представьте себе инструмент, прибор или систему, которые в точности соответствуют требованиям Вашей задачи; инструмент, который собирает, анализирует, представляет данные и осуществляет управление именно необходимым Вам способом. С помощью LabVIEW таким инструментом может стать обычный компьютер, стоящий у Вас в лаборатории или на производстве, оснащенный дополнительными устройствами ввода информации.

LabVIEW – интегрированная среда разработчика для создания интерактивных программ сбора, обработки данных и управления периферийными устройствами.

Программирование в LabVIEW осуществляется на уровне функциональных блок-диаграмм. Сочетание графического языка программирования и современного компилятора позволяет значительно сократить время разработки сложных систем при сохранении высокой скорости выполнения программ. Библиотеки современных алгоритмов обработки и анализа данных превращают LabVIEW в универсальный инструмент создания интегрированных систем на базе современных компьютеров.

LabVIEW – графическая система программирования на уровне функциональных блок-диаграмм, позволяющая графически объединять программные модули в виртуальные инструменты (Virtual Instruments – VI).

Разработка законченной системы. Как правило программный пакет покрывает только один аспект поставленной задачи, но не решает все проблемы – сбор данных, их анализ, представление и управление. LabVIEW предоставляет все необходимые средства, объединенные единой методологией. Имеется доступ к библиотекам виртуальных инструментов для управления и получения данных через интерфейс IEEE 488, шину VXI, RS-232 и встраиваемые платы сбора данных. LabVIEW предлагает более 600 драйверов для приборов от более чем 50 мировых производителей, в тоже время можно использовать и низкоуровневое программирование приборов. После сбора данных можно использовать библиотеку анализа данных для получения из потока данных необходимого результата. Можно воспользоваться цифровой обработкой сигналов, цифровой фильтрацией, статистикой и численным анализом. Можно управлять системой с помощью программы и визуализировать результаты, используя интерактивные лицевые панели. С помощью этих панелей создается стандартный, легко узнаваемый интерфейс независимо от аппаратного обеспечения системы. Имеются широкие возможности по манипулированию данными – запись/чтение с диска, передача по сети и печать на принтере или плоттере.

В LabVIEW вместо написания программы строятся виртуальные инструменты (VI). Легко создаваемая лицевая панель пользовательского интерфейса дает возможность интерактивного управления программной системой. Для описания функционирования системы строится блок-диаграмма – привычный элемент для любой технической разработки. Но в LabVIEW блок-диаграмма является, кроме всего, исходным кодом программы. Таким образом, решается требующая немалого времени и усилий при обычном подходе задача трансформация идеи разработчика в код программы. LabVIEW – удобное средство для построения программной системы. Виртуальные инструменты, с их графическим представлением, очень легко модифицируются, отлаживаются и полностью самодокументированы. Не менее важно, что созданные блоки можно встраивать как пиктограммы в диаграммы верхнего уровня для построения сложных программных комплексов. Для построения виртуального инструмента, создается лицевая панель с необходимым набором кнопок, переключателей, регуляторов, экранов и т. п. Лицевая панель работает как интерактивный интерфейс ввода и вывода для измерительной системы или системы управления. В LabVIEW конструирование лицевой панели сводится к рисованию картинки. Для начала предоставляются различные индикаторы и управляющие элементы. Остается только выбрать их из меню и расставить на панели. Кроме того, можно изменить цвет, размер, метку каждого элемента, его тип данных и диапазон значений. Возможно импортировать любое изображение для создания специфического элемента для нужной задачи. Когда виртуальный инструмент будет закончен, можно использовать элементы лицевой панели для управления системой даже во время выполнения программы, меняя положение переключателей и регуляторов, поворачивая ручки управления и вводя значения с клавиатуры. Таким образом, панель "оживает", обеспечивая обратную связь с системой.

Блок-диаграммы. Программируя виртуальные инструменты, освобождаемся от многих синтаксических деталей обычного программирования. Выбирая функциональные блоки из меню, соединяем их с помощью проводников для обеспечения передачи данных от одного блока другому. Это могут быть как блоки элементарных алгебраических операций, так и сложные функции сбора и анализа данных, сетевые операции и файловый ввод/вывод, обмен данными с жестким диском в ASCII, бинарном формате и в формате табличного процессора. LabVIEW имеет обширный набор средств для разработки, тестирования и отладки системы. Окно подсказки (Help Window) описывает каждый блок и его соединения. LabVIEW немедленно проинформирует о неправильных соединениях и списке ошибок в окне Error Window. В ассортимент отладочных средств входят подсветка выполнения блок-диаграммы, пошаговый режим, прерывания и индикация значений. Таким образом, можно производить трассировку и исследование выполнения программы непосредственно на блок-диаграмме.

Поточное программирование. Поточное программирование освобождает от линейной архитектуры текстовых языков. Так как порядок выполнения программы в LabVIEW устанавливается течением данных между блоками, а не последовательностью строк текста, можно создавать диаграммы, которые имеют несколько параллельных потоков прохождения данных и несколько одновременно выполняемых операций.

Структурное программирование. В то время, как потоки данных предпочтительны для параллельных операций, можно задавать и специальный порядок выполнения. LabVIEW, законченная система программирования, предлагает такие программные структуры, как итеративный цикл (FOR), последовательный цикл (WHILE) и оператор выбора (CASE), для последовательных, повторяющихся или разделяющих операций. Эти структуры представлены как графические рамки, окаймляющие управляемые блоки на блок-диаграмме.

Модульность и иерархия. LabVIEW является модульной средой по своей структуре. Любой VI может использоваться в блок-диаграмме другого виртуального инструмента как subVI. Разбив свою программную систему на subVI, можно независимо разработать и интерактивно протестировать эти subVI, и тут же использовать их как узлы для построения виртуального инструмента более сложного уровня. Использование модульной иерархии позволяет эффективно разрабатывать, модифицировать, заменять и комбинировать виртуальные инструменты для удовлетворения изменяющихся требований конкретного приложения. Возможности значительно расширяет иерархия VI. Создавая пиктограмму для собственного VI и используя ее в диаграмме другого виртуального инструмента, скрывается сложность низкоуровневой диаграммы, однако сохраняется доступ к общим переменным через панели нижнего уровня. Можно конфигурировать эти панели для автоматического открытия, создания анимаций и контекстозависимого интерфейса пользователя.

Графический компилятор. Во многих приложениях скорость выполнения является критичной. LabVIEW – единственная графическая среда программирования с компилятором, который генерирует оптимизированный код. Скорость выполнения LabVIEW близка к скорости выполнения компилированных Си программ. Поэтому, используя данный графический язык, можно увеличить свою производительность при создании программ без снижения скорости их выполнения. Готовые виртуальные инструменты (VI) работают в системе разработчика LabVIEW, а также в LabVIEW Run-Time System. Это компактная, недорогая версия LabVIEW может только загружать и запускать VI, но не позволяет редактировать или показывать их диаграмму. Это свойство защищает исходный код VI. Можно использовать Run-Time System как дешевую тестовую станцию или эффективный путь для распространения собственных разработок. С помощью дополнительной программы Application Builder выполняется преобразование VI в обычную исполняемую *.ехе программу, которая запускается и выполняется самостоятельно, как любая Windows программа.

Гибкость. LabVIEW – открытая среда, которая позволяет легко интегрировать в систему собственные программные и аппаратные разработки. Для включения объектного Си-кода в программу LabVIEW  воспользуйтесь 32-х разрядным WATCOM С компилятором. Кроме того, LabVIEW предоставляет доступ к стандартным 16-ти битным библиотекам DLL MS Windows.

Библиотеки анализа. Analyses VI Libraries включают статистику, решение уравнений, регрессионный анализ, линейную алгебру, алгоритмы генерации сигналов, анализ в частотной и временной области, процедуры спектрального анализа и цифровые фильтры. Используя эти библиотеки, разрабатываются виртуальные инструменты для управления процессами, цифровой обработки сигналов и многих других приложений.

Работа в реальном масштабе времени. Вне зависимости от задачи, скорость выполнения программы является важнейшим фактором анализа данных. Библиотеки анализа LabVIEW используют максимум вычислительных возможностей компьютера. Виртуальные инструменты оптимизированы для использования математического сопроцессора. Кроме того, существуют специализированные библиотеки, использующие вычислительные возможности цифровых DSP процессоров, установленных на встраиваемых в компьютер платах National Instruments.

2.4. Виртуальные приборы

Традиционные измерительные приборы не позволяют изменять их функциональные возможности, поэтому приходится закупать все приборы, которые необходимы для изучения какого-либо объекта. Технология виртуальных приборов позволяет превратить обычный персональный компьютер в устройство с произвольной функциональностью. Компьютер с подключенными к нему многофункциональными платами может быть и мощной расчетной машиной, и осциллографом, и вольтметром, и коммутатором сигналов, и частотомером, и системой управления технологическим процессом.

Состав библиотек системы LabVIEW позволяет в короткие сроки создавать необходимые инструменты для различных этапов исследований, начиная от элементарных приборов и заканчивая управляющими, информационно-поисковыми и аналитическими системами. Это дает основание говорить о принципиальных изменениях, которые вносит технология LabVIEW в создание прикладного программного обеспечения, поскольку эта система позволяет реализовать произвольный набор методов измерения, анализа, отображения и управления в автоматизированных системах различного профиля на базе обычного персонального компьютера.

Любая программа, созданная в системе LabVIEW, называется виртуальный прибор (ВП) или виртуальный инструмент (ВИ дословный перевод с английского языка: VI-Virtual Instrument). Компонентами, составляющими ВП являются передняя панель, блок-диаграмма и пиктограмма/коннектор. Передняя панель реализует пользовательский интерфейс с ВП, позволяет задавать исходные данные и отображать результаты работы ВП. Блок-диаграмма является аналогом традиционной программы и реализует функциональные возможности ВП.

Пиктограмма/коннектор позволяют использовать ВП в качестве подпрограммы (SubVI, виртуальный "подприбор") при построении модульных иерархических программ.

Только самые простые приложения разрабатываются в LabVIEW как один единственный ВП. Серьезные приложения представляют собой иерархию ВП (иногда более тысячи ВП). Такое иерархическое приложение можно разрабатывать методом "сверху вниз", когда исходная сложная, большая задача разбивается на несколько меньших подзадач. Те, в свою очередь, тоже разбиваются на подзадачи и т.д. В конце концов, при таком "дроблении" у разработчика будет набор элементарных задач, которые можно последовательно программировать, отлаживать и создавать из них основное приложение – ВП верхнего уровня.

Чем подробнее продумана структура программы, чем лучше описана спецификация исходных данных и результатов работы, тем быстрее приложение будет создано, отлажено и внедрено.

Важно отметить, что система LabVIEW имеет возможность существенно облегчить разработку таких сложных приложений целым коллективом программистов, когда каждый программист реализует свою подзадачу. При этом LabVIEW обеспечивает корректность и актуальность версий различных ВП, отслеживает изменения исходного кода ВП, облегчает отладку ВП.

2.4.1. Передняя панель

Передняя панель — это интерактивный интерфейс пользователя. Именно с передней панелью будет работать пользователь программы, поэтому она должна быть удобной, информативной и эргономичной.

На рис. 2.1 показана передняя панель двухканального виртуального осциллографа. На самом деле самостоятельного прибора – осциллографа нет.

В данном случае используются встраиваемая в персональный компьютер многофункциональная измерительная плата и LabVIEW, превращающие компьютер в виртуальный осциллограф. Система LabVIEW предоставляет возможность исследователю работать с тем оборудованием, к которому он привык, даже если аппаратная реализация совсем иная.

Рис. 2.1. Передняя панель виртуального осциллографа

На рис. 2.2 показана передняя панель ВП, который циклически, от момента запуска до нажатия на кнопку "Стоп", генерирует случайное число от 0 до значения "Диапазон", отображает результат на графике и стрелочном индикаторе.

В нижней части рис. 2.2 показаны некоторые палитры-меню, содержащие элементы пользовательского интерфейса: логические данные, числовые данные, графики. Эти палитры использовались программистом при разработке передней панели ВП

Рис 2.2. Передняя панель ВП генерации и отображения случайного числа

Показаны некоторые палитры-меню, используемые при разработке передней панели ВП.

Передняя панель может содержать необходимые кнопки, тумблеры, регуляторы числовых значений, графики, лампы, внедренные объекты ActiveX (Excel, Word и др.) и т.п. Большинство элементов передней панели могут работать в одном из двух режимов – регулятор (Control) или индикатор (Indicator). Регуляторы позволяют пользователю задать исходные данные для ВП, а индикаторы отображают результаты работы.

При помещении объекта на экран передней панели ВП LabVIEW определяет режим работы, исходя из здравого смысла. Так, например, тумблер будет по умолчанию работать в режиме "регулятор", а термометр – в режиме "индикатор". С помощью меню свойств объекта, вызываемого щелчком правой кнопки мыши, разработчик ВП может переключать режим работы, а также устанавливать иные свойства объекта

2.4.2. Блок-диаграмма

Функциональные возможности ВП определяются его блок-диаграммой, которая является графической реализацией алгоритма, блок-схемы.

На рис. 2.3 изображена блок-диаграмма ВП генерации и отображения случайного числа, а также представлены некоторые палитры-меню элементов для построения блок-диаграмм (арифметика, булевы операции, базовая математическая обработка данных).

Рис 2.3. Блок-диаграмма ВП генерации и отображения случайного числа

Блок-диаграмма состоит из терминалов, узлов, проводов и констант, а также может содержать необходимые текстовые или графические комментарии.

Блок-диаграмма любого ВП может быть произвольного размера исложности. Однако считается, что если блок-диаграмма не умещается на одном-двух экранах монитора при удобном для программиста разрешении графической системы, то либо алгоритм ВП недостаточно продуман, либо отдельные части кода такого ВП можно оформить как подпрограммы.

2.4.3. Терминал

Каждому элементу передней панели соответствует один терминал на блок-диаграмме. Терминалы создаются системой LabVIEW на блок- диаграмме автоматически, как только какой-либо элемент создается программистом на передней панели. В зависимости от настроек LabVIEW терминалы отображаются либо как пиктограммы, соответствующие элементам передней панели, либо как цветные прямоугольники разного вида.

Цвет и внешний вид терминала соответствует сопоставленному типу данных, а название (Label) терминала – названию элемента передней панели, смотри (рис. 2.4.). Контекстное меню (правая кнопка мыши) позволяет быстро найти элемент передней панели, соответствующий выбранному терминалу.

Рис 2.4. Передняя панель ВП и соответствующая блок-диаграмма

Терминал регулятора позволяет считать данные с передней панели и передать их в программу для дальнейшей обработки; он имеет рамку в виде толстой линии и маленькую стрелку справа, показывающую, что данные "выходят из терминала" в блок-диаграмму.

Терминал индикатора позволяет отобразить результаты работы ВП на лицевой панели; он имеет тонкую рамку и стрелку слева – данные поступают из блок-диаграммы на терминал.

2.4.4. Узел

Узел – это аналог понятия "оператор" в текстовом языке программирования. Узлы – все то, что выполняется во время работы ВП: встроенные функции LabVIEW, подпрограммы (виртуальные "подприборы", SubVI). Узлы бывают простые (операторы z=x+y; a=cos(b)) и сложные (конструкции программирования такие, как условия (операторы if, switch, case of), циклы (операторы for, do-while).

2.4.5. Провод

Провода – это разноцветные линии на блок-диаграмме, определяющие передачу данных от источника к приемнику во время работы ВП.

На (рис. 2.5) данные следуют от терминала "Вещественное число двойной точности, регулятор" к узлу "косинус", от узла "модуль" к узлу "квадратный корень", от узла "сумма" к терминалу "Комплексное число, индикатор".

Рис 2.5. Провода, расположенные "правильно" и "неправильно"

Цвет и внешний вид провода соответствует типу данных, передаваемых по проводу. У любого провода должен быть единственный источник данных, и могут быть несколько приемников. Провод всегда должен быть присоединен к требуемому контакту коннектора узла или к терминалу, или к константе или к другому проводу.

В месте присоединения одного провода к другому отображается точка (если включен этот режим в меню настроек LabVIEW, меню Tools>>Options, вкладка Block Diagram, пункт "Show dots at wire junction"). Провод может иметь неограниченное число точек поворота, может быть любой длины – эффективность выполнения программы от этого не зависит.

Однако нужно стараться располагать терминалы, узлы и провода так, чтобы блок-диаграмма была наглядной, простой и красивой, смотри рис. 2.5. Только красиво нарисованная программа будет надежно работать, развиваться и модернизироваться!

2.5. Порядок выполнения виртуального прибора

Текстовая программа выполняется в порядке следования операторов и в соответствие с тем, что определяют операторы типа goto. Порядок выполнения программы определяется в процессе ее кодирования. А как выполняется программа в LabVIEW!?

Основной технологией, определяющей выполнение виртуального прибора LabVIEW, является технология Dataflow, в соответствие с которой порядок выполнения программы определяет готовность потоков данных, проходящих от одного узла к другому.

Общие правила таковы:

  1.  ни один узел не может выполниться до тех пор, пока на все контакты его коннектора, к которым подключены провода, не поступят данные;
  2.  если данные поступают на несколько узлов "одновременно", то и выполняются эти узлы "одновременно".

В случае однопроцессорного компьютера, несколько действий действительно одновременно выполняться не могут. Поэтому более широкая трактовка второго правила такова:

Если данные поступают на несколько узлов "одновременно", то порядок выполнения этих узлов не определен.

В большинстве случаев при обработке данных технология Dataflow автоматически приводит к корректной последовательности выполнения узлов. Однако иногда требуется вполне определенный порядок действий, который нужно реализовать в момент кодирования программы.

На (рис. 2.6) приведена блок-диаграмма виртуального прибора, где порядок выполнения узлов не важен, можно считать, что все три узла выполняются одновременно. В соответствие с правилами Dataflow выполнение виртуального прибора всегда будет проходить корректно, в нужной последовательности!

Рис 2.6. Все узлы выполняются "одновременно"

В случае невозможности или нежелательности "проводного" определения порядка выполнения ВП применяется конструкция программирования последовательность (Sequence), которая будет рассмотрена ниже.

2.6. Типы данных

LabVIEW поддерживает работу с рядом типов данных, облегчающих работу в составе автоматизированных систем научных исследований.

  1. Осциллограмма (Waveform) используется для работы с измеренными или программно генерированными данными в случае постоянства периода дискретизации. При этом тип данных "Осциллограмма" включает в себя три компонента – t0 – время начала осциллограммы, dt – период дискретизации, [y] – массив значений. В ранних версиях LabVIEW такого типа данных не было, пользователи создавали кластеры соответствующей структуры. Этот тип данных удобен при отображении на графиках (автоматическая настройка оси абсцисс), для спектральной, корреляционной обработки данных, цифровой фильтрации, получении фазовых или частотных характеристик сигналов.
  2. Сигнал (Signal) – дальнейшая, по сравнению с осциллограммой, модификация типа данных для работы с измеренными или генерируемыми параметрами. Инкапсулирует названия параметров, режимы измерений или генерации, может содержать в себе несколько параметров.
  3. Сессия VISA (VISA session, VISA resource name) используется при программировании внешних устройств в соответствие со стандартом VISA. Драйверы большинства современных приборов и устройств разрабатываются в соответствие со спецификацией VISA и технологией Plug&Play. Наиболее близкий "родственник" из обычных типов данных и в некоторых случаях заменитель – строка.
  4. Измерительный или управляющий канал DAQ (DAQ Channel) – включает в себя настройки режимов измерения или управления какого-либо канала многофункциональной измерительно-управляющей платы National Instruments, а также данные для первичной математической обработки.
  5. Ссылка (refnum) – тип данных, аналогичный указателю (pointer) или дескриптору какого-либо объекта в языках текстового программирования. В LabVIEW возможно использование различных объектов и ссылок на них. Например, ссылка на какой-либо виртуальный прибор.


Глава 3. Поляризация электромагнитных волн

В общем случае однородная плоская волна [9, 10], которая распространяется в  направлении оси z, имеет векторы и , лежащие в плоскости xOy фазового фронта. Эти векторы взаимно ортогональны, пропорциональны по величине и образуют с вектором Пойнтинга правую тройку векторов. Положение вектора в плоскости xOy может быть произвольным. Однако, вследствие того, что волна является гармонической с частотой и периодом колебаний , изменяющийся по величине и направлению вектор  возвращается каждый период  в исходное положение и рисует при этом своим концом на плоскости xOy замкнутую кривую, называемую годографом вектора .  Вектор при этом однозначно определяется вектором и, при необходимости, всегда может быть найден.

Поляризация волны определяет закон изменения направления и величины вектора этой волны в данной точке пространства за период колебания. По форме годографа вектора определяют три вида поляризации монохроматических волн: линейная, круговая и эллиптическая.

3.1. Линейная поляризация

Рассмотрим вектор , произвольно лежащий в плоскости xOy (рис. 3.1):

. (3.1)

Рис. 3.1. Вектор напряжённости электрического поля

Мгновенное значение модуля вектора

 (3.2)

Угол вектора с осью x

 (3.3)

Линейно поляризованной называют волну, у которой направление вектора остаётся неизменным с течением времени. Если начальные фазы суммируемых в  выражении (3.1) ортогональных компонент поля совпадают или сдвинуты друг относительно друга на  , то результирующая волна будет иметь линейную поляризацию. Действительно, подставив в (3.1) (где при и при ), имеем

,  (3.4)

причем

.  (3.5)

Из (5) следует, что

,  (3.6)

и что направление колебаний вектора образует с осью x угол , который определяется соотношением

,  (3.7)

и, следовательно, не изменяется с течением времени (рис. 3.2).

Плоскость, проходящую через направление распространения электромагнитной волны и вектор , называют плоскостью поляризации. Плоскость поляризации линейно поляризованной волны не изменяет своего положения с течением времени.

Рис. 3.2. Линейно поляризованная волна

3.2. Круговая поляризация

Поляризованной по кругу называют волну, у которой вектор равномерно вращается, описывая за время одного периода своим концом окружность.

Однородная плоская волна с круговой поляризацией получается в результате суперпозиции  двух линейно поляризованных волн, имеющих взаимно перпендикулярные векторы с равными амплитудами и сдвигом начальных фаз на .

Пусть, например, составляющая отстает по фазе:

.  (3.8)

В этом случае согласно (3.1) имеем:

, .  (3.9)

Определим мгновенное значение модуля вектора этой волны:

.  (3.10)

Таким образом, вектор постоянен по величине. Угол между осью и направлением вектора определяется соотношением

(3.11)

или     

   .  (3.12)

Из (3.12) следует, что в каждой фиксированной точке наблюдения угол  линейно возрастает по закону с увеличением , изменяясь на за время одного периода  . Таким образом, при суперпозиция (3.1) определяет в точке равномерное вращение вектора с угловой скоростью в направлении по часовой стрелке, если смотреть в направлении оси z, т. е. в сторону составляющей, отстающей по фазе; конец вектора описывает при этом вращении окружность (рис. 3.3). Можно также говорить, что направление движения волны и вращение вектора образуют правовинтовую систему.

Рис. 3.3. Волна правой круговой поляризации

Из (3.12) также следует, что в каждый фиксированный момент времени угол  линейно уменьшается по закону с увеличением координаты , изменяясь на на расстоянии, равном  . Таким образом, в момент времени вектор равномерно поворачивается с увеличением координаты в направлении против часовой стрелки, если смотреть в направлении распространения волны, делая один оборот на расстоянии . Концы векторов , относящихся к различным точкам оси z, расположены при этом на левовинтовой круговой спирали (рис. 3.3).

Если положить в (3.1) и , то вместо (3.9) имеем:

, .  (3.13)

и аналогичным путем вновь получаем однородную плоскую волну с круговой поляризацией. Однако, у этой волны в точке вектор равномерно вращается в направлении против часовой стрелки (рис. 3.4), а направление движения волны и вращение вектора образуют левовинтовую систему. В момент времени концы векторов на оси z расположены на правовинтовой круговой спирали (рис. 3.4).

Рис. 3.4. Волна левой круговой поляризации

Условимся называть поляризацию правой (левой), если в фиксированной точке направление вращения вектора образует с направлением распространения волны правовинтовую (левовинтовую) систему.

Плоскость поляризации волны, которая поляризована по кругу, в каждой точке пространства равномерно вращается с течением времени.


3.3. Эллиптическая поляризация

Эллиптически поляризованной называют волну, у которой вектор вращается, описывая  за время одного периода своим концом эллипс (рис. 3.5).

Однородная плоская волна с эллиптической поляризацией получается в результате суперпозиции  двух линейно поляризованных волн со взаимно перпендикулярными векторами   во всех случаях, когда не выполняются рассмотренные выше условия возникновения линейной и круговой поляризаций.

Рис. 3.5. Годограф вектора   эллиптически поляризованной волны

Поле волны эллиптической поляризации также бывает правого или левого направления вращения. Для количественного описания такого поля вводят коэффициент эллиптичности , который равен отношению меньшей и большей полуосей эллипса

.  (3.14)

Иногда определяют и угол между большей полуосью эллипса и осью x.

3.4. Поляризационная характеристика

Для измерения поляризации электромагнитной волны применяют метод линейно поляризованной антенны. В качестве такой антенны может применяться полуволновый вибратор, открытый конец прямоугольного металлического волновода или пирамидальный рупор. Пусть при работе на излучение линейно поляризованная антенна создаёт поле . При работе на приём в поле произвольно поляризованного вектора на выходе антенны будет напряжение, пропорциональное скалярному произведению После пикового детектора с точностью до постоянного сомножителя получаем напряжение

,  (3.15)

где - угол между векторами, - период колебания. Если поле линейно поляризовано, то будет максимально при и равно нулю при градусов. Если поле имеет круговую поляризацию, то будет неизменно при  любом . При измерении в поле эллиптической поляризации получаем при изменении максимальное и минимальное значения напряжения, пропорциональные большей и меньшей полуосям эллипса поляризации соответственно. Заметим, что поворачивать линейно поляризованную антенну, меняя угол , надо так, чтобы её вектор лежал в плоскости фазового фронта исследуемого поля .

При автоматизации измерений линейно поляризованную антенну быстро вращают вокруг оси, направленной на источник исследуемого поля, меняя угол . На экране индикатора с синхронной с этим вращением круговой развёрткой в полярной системе отображается величина . По полученной на экране картине судят о поляризации поля.

Если исследуемое электромагнитное поле имеет горизонтальную составляющую и вертикальную составляющую , а поле вспомогательной линейно поляризованной антенны, имеющее угол - относительно горизонта, имеет вид

,  (3.16)

то на выходе антенны будет напряжение, пропорциональное скалярному произведению :

(3.17)

После детектирования получаем максимальное значение

(3.18)

При изменении углового положения линейно поляризованной антенны напряжение на выходе детектора изменяется. Его максимальное и минимальное значения пропорциональны соответствующим осям эллипса поляризации, а их отношение дает значение коэффициента эллиптичности. Зависимость называется поляризационной характеристикой исследуемой антенны (рис. 3.6).

Рис. 3.6. Поляризационный эллипс и поляризационная характеристика

Для нахождения угла наклона поляризационного эллипса продифференцируем выражение (3.18) по углу γ, а затем результат дифференцирования приравняем к нулю

,

.

В итоге получим

.  (3.19)

В формуле (3.19) γ – угол наклона поляризационного эллипса ( 45 < γ < 45).

3.5. Поляризационные параметры антенн

Существуют антенны [11], рассчитанные на излучение (прием) поля круговой поляризации. Многие антенны (симметричный вибратор и другие) излучают во всех направлениях линейно поляризованные волны. Однако имеются антенны, которые либо из-за своих конструктивных особенностей, либо из-за неточностей исполнения излучают волны чисто линейной поляризации только в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, проходящих через направление максимального излучения (главные плоскости). Поляризация поля в этих плоскостях называется главной или основной, В других плоскостях имеется составляющая поля, поляризованная перпендикулярно (ортогонально) основной поляризации (к таким антеннам относят, например, параболическую). Эта составляющая, называемая поперечной или кроссполяризационной, является вредной. Ортогональность составляющих поля основной и кроссполяризации (иногда ее называют паразитной) понимается как независимость переноса мощности каждой из них. Мощность, соответствующая кроссполяризации, расходуется на образование боковых лепестков, вследствие чего коэффициент направленного действия (КНД) антенны уменьшается. Кроме того, возрастают помехи, создаваемые передающей антенной различным приемным антеннам, работающим в том же или смежном диапазоне частот. Если поле передающей антенны имеет две ортогональные составляющие, а приемная  антенна  рассчитана  на прием лишь линейно поляризованного поля, то часть излученной мощности, соответствующая паразитной поляризации, не используется.

Эллиптическая поляризация может рассматриваться либо как результат сложения двух линейно поляризованных взаимно перпендикулярных составляющих поля, не совпадающих по фазе, либо двух полей круговой поляризации с противоположными направлениями вращения и разными амплитудами.

Отношение малой полуоси эллипса к большой (рис. 3.6) называется коэффициентом равномерности (коэффициентом эллиптичности) поляризационного эллипса: t = b/a. В случае линейной поляризации поля t = 0. Условием этой поляризации является  или  ( - сдвиг фаз между составляющими и ). Линейная поляризация также имеет место, если = 0 или = 0. При круговой поляризации поля ( = ;) t = l. Таким образом, коэффициент равномерности поляризационного эллипса может изменяться в пределах 0 < t < 1. Зависимость коэффициента эллиптичности от направления на точку наблюдения называется поляризационной диаграммой направленности антенны.

В качестве примера простейшей антенны, создающей вращающееся поле рассмотрим два линейных излучателя (для простоты считаем их элементарными), расположенных крестообразно и питаемых токами равной амплитуды, но сдвинутых по фазе на . Такой излучатель часто называют турникетным. В меридиональной по отношению к обоим вибраторам плоскости yoz (см. рис. 3.7) они создают поля одной поляризации, причем векторы и лежат на одной и той же линии. В точке N, лежащей на нормали (ось х) к плоскости расположения двух вибраторов, первый создаёт вектор напряжённости электрического поля а второй - , находящиеся в плоскости, перпендикулярной оси х, Эти векторы равны по амплитуде, сдвинуты по фазе друг относительно друга на 90 и взаимно перпендикулярны. Таким образом в направлении нормали к плоскости вибраторов (yoz) имеет место круговая поляризация поля.

Рис. 3.7. Турникетный излучатель


Глава 4. Падение плоской волны на границу раздела двух сред

4.1. Плоские волны произвольной ориентации

В предыдущих параграфах мы рассматривали плоские волны, распространяющиеся вдоль осей декартовой системы.

Предполагаем, что среда без потерь.

,

,

,

где  ,                     (4.1)

Косинусы углов, определяющих направление волны, называются направляющими.

Уравнение фазовой плоскости (=const):

 

                                                ,

где                                       (4.2)

Тогда скалярное произведение  

(4.3)

 (4.4)

Мы предполагали, что среда без потерь. В случае среды с потерями соотношения не меняются, только вместо k подставляется  = — j. Перед началом рассмотрения волновых явлений дадим ряд определений.

Плоскость, проходящая через нормаль к границе раздела параллельно направлению распространения волны, называется плоскостью падения. Вектор перпендикулярен направлению распространения волны, а относительно плоскости падения волны он ориентирован произвольным образом.

Не теряя обобщенности рассуждений, достаточно рассмотреть два случая ориентации .

1.) перпендикулярен плоскости падения (нормальная поляризация)

2.) параллелен плоскости падения (параллельная поляризация)

При произвольной ориентации вектора , он может быть представлен как суперпозиция двух этих случаев.

4.2. Нормальная поляризация

Падение плоской волны на границу раздела двух диэлектриков

Вводное замечание

Рассмотрим падение плоской волны на плоскую границу раздела сред. Предположим, что потери в средах отсутствуют. Будем считать, что плоскость падения совпадает с плоскостью xOy декартовой системы координат. Угол между направлением распространения и осью x называется углом падения. Граница раздела сред совпадает с плоскостью yOz. Направляющие косинусы будут определяться следующим соотношением:

,

т.е. фазовый множитель:

,       где          .

В общем случае:    (4.5)

 (4.6)

В данном случае вектор направлен так же, как ось у.

Фазовый множитель — ;

; .

Можно записать уравнение падающей волны. Подставляя предыдущие замечания в уравнения (1) и (2), получим:

(4.7)

   (4.8)

В общем случае в результате падения волны на границу падающая волна полностью или частично отражается или преломляется.

Естественно предположить, что отраженная и преломленная волны являются также плоскими, линейно поляризованными. Полагаем, что направление распространения падающей, отраженной и преломленной волн находится в плоскости xOz. Кроме того, отраженная и преломленная волны, так же как и падающая, являются нормально поляризованными. Тогда для отраженной и преломленной волн можно записать:

 (4.9)

где φ׳ = π-φₒ                                

 (4.10)

 (4.11)                    

 (4.12)

где ;     .

В данном случае являются известными характеристики падающей волны , . Искомыми являются , θ, , . Если в результате решения задачи нам удастся получить решение, которое удовлетворяет следующим граничным условиям:            

;  (4.13)

то, в соответствии с теоремой единственности, найденное решение будет верным и единственно возможным. Соотношения (9) должны выполняться во всех точках границы раздела, которая совпадает с осью z, т.е. при любых z граничные условия (9) должны выполняться. Это возможно, если падающая, отраженная и преломленная волны имеют одинаковую зависимость по z.

          (4.14)                     

          (4.15)

Учитывая, что угол  имеет пределы , а угол  имеет пределы , мы делаем заключение, что:

           (4.16)

При анализе подобных задач обычно предпочитают пользоваться не углом , а дополняющим углом о — углом отражения:   

          (4.17)

Подставляя соотношение (13) в (12), получим:     (4.18)                                                                           

— первый закон Снелиуса.

Воспользуемся соотношением (11) из которого следует, что:

(4.19)

 (4.20)

Соотношение (15), записанное в форме (16), называется вторым законом Снелиуса.

Отношение синуса угла отражения к синусу угла падения равно относительному коэффициенту преломления. Граничное условие (9) записывается следующим образом:

, x = 0  (4.21)

, x = 0 (4.22)

где учтено, что тангенциальные компоненты в первой среде образуются падающей и отраженной волнами, а тангенциальные компоненты во второй среде образуются преломленными волнами. Подставляя в соотношения (17), (18) соответствующие компоненты из соотношений (3) — (8), получим:

  (4.23)

   (4.24)

Учитывая одинаковую зависимость по z, отметим, что все фазовые множители одинаковые, и их можно сократить. Кроме того, , получим:               

         (4.25)

 (4.26)

Амплитуда отраженной и преломленной волн пропорциональна , т.е.

где — коэффициент отражения, — коэффициент преломления.

,

          (4.27)

Решая эту систему, получим:

         (4.28)

Коэффициенты отражения и преломления часто называют коэффициентами Френеля.

В соотношении (24) угол преломления можно исключить, используя закон Снелиуса.

Теперь можем записать результирующее поле в первой и второй средах, где учтено, что и :

4.3. Параллельная поляризация

Рассмотрим плоскую линейную поляризованную волну. Вектор находится в плоскости падения ( так же, как и в первом случае).

Выражения для падающей, отраженной и преломленной волн:

                  х  0  (4.29)

                 ,  х  0  (4.30)

Аналогично для отраженной и преломленной волн:

                 ,  х  0  (4.31)

                 , х  0  (4.32)

, х  0  (4.33)

, х  0  (4.34)

Неизвестными являются , θ, , . Они могут быть найдены в результате решения граничной задачи:

 ;  (4.35)

В данном случае соотношение (7) записывается следующим образом:

, х = 0  (4.36)

, х = 0  (4.37)

Соотношения (7), (8), (9) должны выполняться во всех точках границы раздела, т.е. при любых значениях координаты z. Это возможно, если составляющие поля отраженной, падающей и преломленной волн имеют одинаковую зависимость от z,

т.е.         (4.38)

             (4.39)

Из соотношений (10), (11) следуют законы Снелиуса:      ,

т.е. законы Снелиуса инвариантны (безразличны) к поляризации падающей волны.

Подставим соотношения (8), (9) в соответствующие выражения для проекций поля:

 (4.40)

 (4.41)

Из соотношений (10), (11) следует, что все экспоненты равны. Сокращаем их и получаем:

                         (4.42)

                          (4.43)

                                              .

Тогда соотношения (14), (15) можно переписать:

 (4.44)

 (4.45)

Решая систему, получим:

 (4.46)

 (4.47)

— коэффициенты Френеля для параллельной поляризации.

Косинус  можно исключить                     

Если сравнить коэффициенты Френеля для нормальной и параллельной поляризации, то можно отметить, что для разных поляризаций коэффициенты Френеля различны.

Получим выражения для результирующего поля в первой и второй средах для параллельной поляризации:

      х  0  (4.48)

            х  0  (4.49)

                        х  0  (4.50)

                                        х  0  (4.51)

В том случае, если плоская волна падает по нормали к плоскости раздела, понятие плоскости падения теряет смысл. В этом случае углы падающий, отраженный и преломленный равны нулю, и выражения для коэффициентов Френеля упрощаются:

,

.

4.4. Условия полного прохождения волны во вторую среду

В случае эффекта полного преломления волна в первую среду не отражается и коэффициент отражения равен нулю.

 Рассмотрим случай параллельной поляризации:

 (4.52)

 (4.53)

Выражая косинусы угла падения через синусы, и возводя правую и левую части в квадрат, получим:

,

,

,

,

 (4.54)                  

                                                      .

Для реальных диэлектрических сред выполняется равенство:        

                                    (4.55)           

                Тогда:          (4.56)

Вспоминая известное тригонометрическое тождество: , получаем:

                                  (4.57)

Угол называется углом Брюстера.

В том случае, если в диэлектрических средах магнитные проницаемости не совпадают, то условие существования угла Брюстера определяется следующим неравенством:

.

Рассмотрим случай нормальной поляризации:  ,     .

Выражая и через и возводя в квадрат, получим:

,

.

Выражая , получим:.

Вынося из числителя и знаменателя и раскрывая ее через параметры среды, получим:

,

 (4.58)

Из соотношения (7) следует, что в этом случае существование полного преломления возможно, если            (4.59)

Будем полагать, что  (4.60)    

       Получим:                                      (4.61)

Если же в этой среде , то существование угла Брюстера определяется следующим неравенством:

.

Полное внутреннее преломление на границе диэлектрических сред с соотношениями и возможно только в случае параллельной поляризации. Волны, нормально поляризованные, от границы раздела двух диэлектриков отражаются при любых условиях.  


Глава 5. Разработка компьютерной лабораторной работы

5.1. Вспомогательные виртуальные приборы

Я предполагаю, что лабораторная установка должна формировать поле произвольной поляризации и моделировать измерение поляризации методом линейно поляризованной антенны. Кроме того, необходимо разработать установку, моделирующую автоматизацию измерений.

Для структурирования программы подготовлю ряд вспомогательных виртуальных инструментов – СубВИ.

При вводе и выводе угловых величин общепринятой единицей измерения являются градусы. Однако при программировании задач оперируют углами в радианах. Создам простейшие СубВИ для преобразования угловых величин.

СубВи “Градусы в радианы”

Создадим в LabVIEW новый прибор, выбрав команды меню FileNew VI.

Создаем лицевую панель СубВИ:

  1.  Поместим на лицевую панель  из палитры ControlsNumeric цифровой регулятор (Num Ctrl) и цифровой индикатор (Num Ind).
  2.   Дадим им метки “Градусы” , “Радианы”. (рис. 5.1).

Прейдем в окно структурной схемы:

  1.  Поместим в окно из палитры FunctionsNumeric оператор умножения

Multiply, оператор деления Divide и цифровую константу Numeric Constant со значением 180.

  1.  Из палитры FunctionsNumericAdditional Numeric Constants поместим в окно структурной схемы константу π.
  2.   Монтажным инструментом соединим терминалы на структурной схеме (рис. 5.2).

Откорректируем иконку СубВИ, надпись в иконке отражает выполняемые операции. В окне лицевой панели перейдем от иконки к соединителю (Show Connector) (рис. 5.1). Монтажным инструментом сопоставим контакты соединителя с регулятором и индикатором на лицевой панели. Сохраним СубВИ, дав ему имя “Градусы в радианы”.

    

Рис. 5.1. Структурная схема СубВИ “Градусы в радианы”

Рис. 5.2. Лицевая панель СубВИ “Градусы в радианы”

СубВи “Радианы в градусы”

Создадим в LabVIEW новый прибор, выбрав команды меню FileNew VI.

  1.  Поместим на лицевую панель из палитры ControlsNumeric цифровой регулятор и цифровой индикатор.
  2.  Дадим им метки “Радианы”, “Градусы” (рис. 5.3).

Перейдем в окно структурной схемы:

  1.  Поместим в окно  из палитры FunctionsNumeric оператор умножения

Multiply, оператор деления Divide и цифровую константу Numeric Constant со значением 180.

  1.  Из палитры FunctionsNumericAdditional Numeric Constants поместим в окно структурной схемы константу π.
  2.  Монтажным инструментом соединим терминалы на структурной схеме (рис 5.4).

Рис. 5.3. Структурная схема СубВИ “Радианы в градусы”

Рис. 5.4. Лицевая панель СубВИ “Радианы в градусы”

Откорректируем иконку СубВИ, надпись в иконке отражает выполняемые операции. В окне лицевой панели перейдем от иконки к соединителю (Show Connector) (рис. 5.3). Монтажным инструментом сопоставим контакты соединителя с регулятором и индикатором на лицевой панели. Сохраним СубВИ, дав ему имя “Радианы в градусы”.

5.2. Виртуальный прибор “Поляризационная характеристика”

Данный СубВИ моделирует измерение поляризации поля методом линейно поляризованной антенны. Если исследуемое электромагнитное поле имеет горизонтальную составляющую и вертикальную составляющую, а поле вспомогательной линейно поляризованной антенны, имеющее угол ϒ относительно горизонта, имеет вид.

cos  + sin ,  (5.1)

то на выходе антенны будет напряжение, пропорциональное скалярному произведению ();

U(t)=()=.  После детектирования получаем максимальное значение

 

При измерении углового положения линейно поляризованной антенны напряжение на выходе детектора изменяется. Его максимальное и минимальное значения пропорциональны соответствующим осям эллипса поляризации, а их отношение дает значение коэффициента эллиптичности.

Данный СубВИ моделирует автоматическое измерение поляризационной характеристики методом линейно поляризованной антенны.

Создам в LabVIEW новый прибор, выбрав команды меню FileNew VI.

Поместим на лицевую панель из палитры ControlsNumeric четыре  цифровых  регулятора и дадим им метки “Амплитуда вертикальная”, “Амплитуда горизонтальная”, “Косинус (Фаза горизонт- вертикал)” и “Усиление” (рис. 5.5). Первые три из них будут в дальнейшем получать свои значения от СубВИ “Генератор поляризации”. Регулятор “Усиление” позволит изменять масштаб изображения на экране, делая его более удобным для наблюдения.

Рис. 5.5. Лицевая панель СубВИ “Поляризационная характеристика”

Из палитры ControlsGraph возьмем графический индикатор XY Graph и поместим его на лицевую панель. В метку индикатора внесем надпись “Поляризационная характеристика”. Меточным инструментом зададим размах обеих шкал экрана от -200 до 200.

Перейдем в окно структурной схемы:

Из палитры FunctionsStructures выбираем оператор цикла For Loop.

Поместив его в окно структурной схемы, растягиваем рамку и меточным инструментом задаем число его выполнений, равное 180.

Поместим оператор умножения Multiply и цифровую константу Numeric Constant со значением 2 рядом со счетчиком цикла i в левом нижнем углу цикла For Loop.

Соединим их монтажным инструментом в соответствии со схемой (рис. 5.5).

Этим мы организовали цикл по углу γ от 0 до 360° с шагом 2°.

Поместим в рамку цикла For Loop из палитры FunctionsNumeric девять операторов умножения Multiply, два оператора суммирования Add, оператор нахождения квадратного корня Square Root и цифровую константу Numeric Constant со значением 2.

Из палитры FunctionsNumericTrigonometric возьмем оператор Sine & Cosine.

Из палитры Functions→ выбираем Select a VI. Из открывшегося окна помещаем в окно структурной схемы созданный нами СубВИ: “Градусы в радианы”.

Разместим удобнее все эти элементы в рамке цикла и монтажным инструментом соединим терминалы (рис. 5.6). Входные параметры проходят в тело цикла через образующиеся при движении через границу монтажного инструмента туннели.

Рис. 5.6.  Структурная схема СубВИ  “Поляризационная характеристика”

Поместим в окно структурной схемы выше оператора цикла из палитры FunctionsNumeric два оператора умножения Multiply.

Из палитры FunctionsCluster выбираем оператор Bundle и переносим его в окно структурной схемы.

Монтажным инструментом соединим терминалы на структурной схеме, подавая сигнал регулятора “Усиление” на один из входов каждого оператора умножения (рис. 5.6).

 5.3 Виртуальный прибор “Генератор поля 1”

Создаем в LabVIEW новый прибор, выбрав команды меню FileNew VI.

Поместим на лицевую панель из палитры ControlsNumeric пять цифровых регулятора и даим им метки “Амплитуда вертикальная”, “Фаза в градусах, вертикальная”, “Амплитуда горизонтальная”, “Фаза в градусах, горизонтальная” и “Период, секунды”. 

Далее из палитры ControlsGraph возьмем два графических индикатора XY Graph  и поместим их на лицевую панель, дав им соответствующие названия “Векторы” и “Поляризационный эллипс”.

Из палитры ControlsNumeric берем два цифровых индикатора, присваивая им следующие названия “Коэффициент эллиптичности” и “Угол наклона эллипса”.

Из палитры ControlsButtons & Switches возьмем индикатор Text Button. Нажимаем правой кнопки мыши на этот индикатор, выбираем пункт Mechanical Action в появившемся окне нажимаем на Switch When Pressed это необходимо для работы кнопки Off при запуске программы (рис. 5.7).

Рис. 5.7. Лицевая панель СубВИ “Генератор поля 1”

Перейдем в окно структурной схемы:

Поместим в окно из палитры FunctionsNumeric девять операторов умножения Multiply.

Из палитры FunctionsNumericMath Const. выбираем константу константу .

Из палитры FunctionsNumericNumeric Constant берем 6 цифровых констант присваивая им следующие значения: 1024, 128, два по 0, 1 и 1000.

Из палитры FunctionsArithmetic & ComparisonMathTrigonometric выбираем нужные нам элементы: Cos и Atan.

Из палитры FunctionsNumeric выбираем оператор Absolute Value.

Из палитры FunctionsNumeric нужны два оператора возведения в квадрат Square.

Из палитры FunctionsNumeric берем четыре оператора деления Divide.

Из палитры FunctionsNumeric выбираем оператор вычитания Subtract и помещаем в окно структурной схемы.

Из палитры FunctionsNumeric нужно три оператора суммирования Add.

Из палитры FunctionsNumeric необходимо два оператора Square Root.

Из палитры FunctionsSelect a VI выбираем раннее сделанные операторы “рад в град” и два оператора “град в рад”.

Из палитры Functions→ Numeric→ Comparison выбираем оператор Select.

Из палитры FunctionsSelect a VI выбираем “поляризационную характеристику” и помещаем в окно структурной схемы.

Из палитры Functions находим индикатор Sine Pattern.

Из палитры FunctionsProgrammingArray берем два индикатора Build Array.

Из палитры Functions→ Programming→ Cluster, Class & Variant берем оператор Bundie.

Монтажным способом соединяем все элементы как показано на (рис. 5.8).


Рис. 5.8. Окно структурной схемы субВИ: “Генератор поля 1”


5.4 Виртуальный прибор “Генератор поля 2”

Создаем в LabVIEW новый прибор, выбрав команды меню FileNew VI.

Поместим на лицевую панель из палитры ControlsNumeric пять цифровых регулятора и дадим им метки “Амплитуда вертикальная”, “Фаза в градусах, вертикальная”, “Амплитуда горизонтальная”, “Фаза в градусах, горизонтальная” и “Период, секунды”.

Далее из палитры ControlsGraph возьмем два графических индикатора XY Graph  и поместим их на лицевую панель, дав им соответствующие названия “Векторы” и “Поляризационный эллипс”.

Из палитры ControlsNumeric берем два цифровых индикатора, присваивая им следующие названия “Коэффициент эллиптичности” и “Угол наклона эллипса”.

Из палитры ControlsButtons & Switches возьмем индикатор Text Button. Нажимаем правой кнопки мыши на этот индикатор, выбираем пункт Mechanical Action в появившемся окне нажимаем на Switch When Pressed это необходимо для работы кнопки Off при запуске программы (рис. 5.9).

Рис. 5.9. Лицевая панель СубВИ “Генератор поля 2”


Перейдем в окно структурной схемы:

Поместим в окно из палитры FunctionsNumeric девять операторов умножения Multiply.

Из палитры FunctionsNumericMath Const. выбираем константу константу .

Из палитры FunctionsNumericNumeric Constant берем девять цифровых констант присваивая им следующие значения: 1024, 128, три по 0, два по 90 и 1000.

Из палитры FunctionsArithmetic & ComparisonMathTrigonometric выбираем нужные нам элементы: два элемента Sin & Cos и Atan.

Из палитры FunctionsNumeric выбираем оператор Absolute Value.

Из палитры FunctionsNumeric нужны два оператора возведения в квадрат Square.

Из палитры FunctionsNumeric берем четыре оператора деления Divide.

Из палитры FunctionsNumeric нужно тринадцать операторов суммирования Add.

Из палитры FunctionsNumeric необходим оператор Square Root.

Из палитры FunctionsSelect a VI выбираем раннее сделанные операторы “рад в град” и два оператора “град в рад”.

Из палитры Functions→ Numeric→ Comparison выбираем оператор Select.

Из палитры FunctionsSelect a VI выбираем “поляризационную характеристику” и помещаем в окно структурной схемы.

Из палитры Functions находим индикатор Sine Pattern.

Из палитры FunctionsProgrammingArray берем два индикатора Build Array.

Из палитры FunctionsProgrammingArray берем два элемента Index Array.

Из палитры Functions → Programming →Array выбираем Array Max & Min.

Из палитры Functions→ Programming→ Cluster, Class & Variant берем оператор Bundie.

Монтажным способом соединяем все элементы как показано на (рис. 5.10).

Рис. 5.10. Окно структурной схемы субВИ: “Генератор поля 2”

5.5. Формирование электромагнитной волны произвольной поляризации

Создадим в LabVIEW новый прибор, выбрав команды меню FileNew VI.

Создадим лицевую панель СубВИ:

Разместим на ней из палитры ControlsGraph IndicatorsXY Graph, в свойствах графика, нажимаем правой кнопкой мыши на график выбираем пункт Properties, заходим в вкладку Scales и меняем значения Max и Min осей X и Y, сохраняем эти значения и выходим.

Из палитры ControlsNum Controls выбираем элемент Num Ctrl и присваиваем им следующие названия: амплитуда вертикальная, амплитуда горизонтальная и cos(фаза гориз. – фаза вертик.). Так, как это показано на (рис. 5.11).

Рис. 5.11. Лицевая панель СубВИ

“ Формирование электромагнитной волны произвольной поляризации ”

На (рис 5.11) показана лицевая панель программы “Формирование электромагнитной волны произвольной поляризации”, где две линейные составляющие поля. На (рис 5.12) изображена панель для двух круговых составляющих поля.  

Рис. 5.12. Лицевая панель СубВИ

“ Формирование электромагнитной волны произвольной поляризации ”

Заходим в окно структурной схемы:

Из палитры FunctionsStructures выбираем элемент For Loop

Из палитры FunctionsNumericNumeric Constant берем две цифровые константы присваивая им следующие значения: 361 и 2.

Из палитры FunctionsArithmetic & ComparisonMathTrigonometric выбираем нужный нам элемент: Sin & Cos и помещаем его в окно For Loop как показано на (рис. 5.13).

Из палитры FunctionsNumeric выбираем и берем шесть операторов умножения Multiply.

Из палитры FunctionsNumeric нужны два оператора возведения в квадрат Square.

Из палитры FunctionsNumeric берем два операторов суммирования Add.

Из палитры FunctionsNumeric необходим оператор Square Root.

Из палитры Functions→ Programming→ Cluster, Class & Variant выбираем элемент Bundle.

Монтажным способом, соединим все элементы, как показано на (рис. 5.13).

Рис. 5.13. Окно структурной схемы СубВИ:

“ Формирование электромагнитной волны произвольной поляризации ”

5.6. Виртуальный прибор граница раздела двух сред

Данный виртуальный прибор предназначен для расчета и построения векторов поля и поляризационных эллипсов для падающей, отраженной и преломленной волн. Виртуальный прибор реализует следующие формулы.

Поле падающей волны:            

Поле отраженной волны:            

Поле преломленной волны:  

Коэффициенты отражения и преломления для нормальной и параллельной поляризаций описаны в главе 4.

Создадим в LabVIEW новый прибор, выбрав команды меню FileNew VI.

Создадим лицевую панель СубВИ:

Разместим на ней из палитры ControlsGraph IndicatorsXY Graph, 4графика в свойствах графика, нажимаем правой кнопкой мыши на график выбираем пункт Properties, заходим в вкладку Scales и меняем значения Max и Min осей X и Y, сохраняем эти значения и выходим. Каждому графику присваиваем следующие названия: Падающая волна, Отраженная волна, Преломленная волна и Лучи.

Из палитры ControlsNum Controls выбираем 6 элементов Pointer Slide и присваиваем им следующие названия: Амплитуда вертикальная; Амплитуда горизонтальная; Фаза вертикальная; Фаза горизонтальная; Частота, Гц; Угол падения. град. Так, как это показано на (рис. 5.14). Нажимаем правой кнопкой мыши на каждый элемент, выбираем пункт Visible ItemsDigital Display.

Из палитры ControlsModernDecorations берем два элемента Recessed Box, присваивая им следующие имена: Параметры среды 1, Параметры среды 2. В них размещаем по три элемента Pointer Slide, присваивая им следующие названия: Относительная диэлектрическая проницаемость, относительная магнитная проницаемость, Удельная проводимость См/м.

 

Рис. 5.14. Лицевая панель СубВИ “ Граница раздела двух сред”

Заходим в окно структурной схемы:

Поместим в окно из палитры FunctionsNumeric десять операторов умножения Multiply.

Из палитры FunctionsNumericNumeric Constant берем пять цифровых констант присваивая им следующие значения: 128, 1, 0, два по 5.

Из палитры FunctionsArithmetic & ComparisonMathTrigonometric выбираем нужный нам элемент: два элемента Sin & Cos.

Из палитры FunctionsNumeric выбираем два оператор Absolute Value.

Из палитры FunctionsNumeric нужно тринадцать операторов суммирования Add.

Из палитры FunctionsNumeric необходим оператор Square Root.

Из палитры FunctionsSelect a VI выбираем раннее сделанные операторы “рад в град” и оператор “град в рад”  по четыре и три соответственно, как показано на (Рис. 5.15) и два элемента “Генератор 1”.

Из палитры Functions находим индикатор Sine Pattern.

Из палитры FunctionsProgrammingArray берем четыре индикатора Build Array.

Из палитры FunctionsProgramming находим и выбираем два оператора Polar To Complex.

Из палитры FunctionsProgrammingCluster, Class & Variant берем пять операторов Bundie.

Из палитры FunctionsProgrammingCluster, Class & Variant берем два операторов Unbundie.

Монтажным способом, соединим все элементы, как показано на (рис. 5.15).

Рис. 5.15. Окно структурной схемы СубВИ: “ Граница раздела двух сред ”

5.7. Виртуальный прибор “Волновое число”

Создадим в LabVIEW новый прибор, выбрав команды меню FileNew VI.

Создаем лицевую панель СубВИ:

Поместим на лицевую панель из палитры ControlsNum Ctrs, берем четыре элемента Numeric Controls и присваиваем им следующие названия: Частота, Гц; Относительная диэлектрическая проницаемость; Относительная магнитная проницаемость; Удельная проводимость, См/м. (рис. 5.16).

Из палитры ControlsNum Inds выбираем цифровой индикатор Num Ind и называем его “Волновое число, рад/м”. Нажимаем правой кнопкой мыши на этот индикатор в появившемся окне выбираем RepresentationComplex Double. Теперь наш индикатор будет показывать вещественные и мнимые значения.

Рис. 5.16. Лицевая панель СубВИ  “ Волновое число ”

Перейдем в окно структурной схемы:

Поместим в окно из палитры FunctionsNumeric пять операторов умножения Multiply.

Из палитры FunctionsNumericMath Const. выбираем константу .

Из палитры FunctionsNumericNumeric Constant берем две цифровые константы присваивая им следующие значения: 60 и 300000000.

Из палитры FunctionsNumeric выбираем оператор Negate.

Из палитры FunctionsNumeric нужен оператор возведения в квадрат Square.

Из палитры FunctionsNumeric выбираем оператор деления Divide.

Из палитры Functions→ Programming→ Numeric→ Complex выбираем  Re/Im to Complex.

Монтажным инструментом соединим терминалы на структурной схеме (рис. 5.17).

Рис. 5.17. Окно структурной схемы СубВИ: “ Волновое число”

5.8. Виртуальный прибор “Характеристической сопротивление”

Создадим в LabVIEW новый прибор, выбрав команды меню FileNew VI.

Создаем лицевую панель СубВИ:

Поместим на лицевую панель из палитры ControlsNum Ctrs, берем четыре элемента Numeric Controls и присваиваем им следующие названия: Частота, Гц; Относительная диэлектрическая проницаемость; Относительная магнитная проницаемость; Удельная проводимость, См/м. (рис. 5.18).

Рис. 5.18. Лицевая панель СубВИ  “ Характеристическое сопротивление ”

Из палитры ControlsNum Inds выбираем цифровой индикатор Num Ind и называем его “Характеристическое сопротивление среды, Ом”. Нажимаем правой кнопкой мыши на этот индикатор в появившемся окне выбираем RepresentationComplex Double. Теперь наш индикатор будет показывать вещественные и мнимые значения.

Перейдем в окно структурной схемы:

Поместим в окно из палитры FunctionsNumeric четыре оператора умножения Multiply.

Из палитры FunctionsNumericMath Const. выбираем константу π.

Из палитры FunctionsNumericNumeric Constant берем три цифровые константы присваивая им следующие значения: 60, 120 и  300000000.

Из палитры FunctionsNumeric выбираем оператор Negate.

Из палитры FunctionsNumeric нужен оператор возведения в квадрат Square.

Из палитры FunctionsNumeric выбираем два оператора деления Divide.

Из палитры Functions→ Programming→ Numeric→ Complex выбираем  Re/Im to Complex.

Монтажным инструментом соединим терминалы на структурной схеме (рис. 5.19).

Рис. 5.19. Окно структурной схемы СубВИ:

“ Характеристическое сопротивление ”


5.9. Виртуальный прибор “Коэффициенты отражения и прохождения”

Создаем в LabVIEW новый прибор, выбрав команды меню FileNew VI.

Поместим на лицевую панель из палитры ControlsNumeric цифровой регулятор  Num Ctrl и дадим метку “Угол падения, рад ”.

Из палитры ControlsNum Inds выбираем два элемента Num Ind и присваиваем им соответственно названия: “Синус угла преломления” , “Косинус угла преломления”.

Рис. 5.20. Лицевая панель СубВИ

“ Коэффициент отражения и прохождения ”

Перейдем в окно структурной схемы:

Поместим в окно из палитры FunctionsNumeric семь операторов умножения Multiply.

Из палитры FunctionsNumericNumeric Constant берем две цифровые константы присваивая им следующие значения: 1+0i, 2+0i. Нажимаем правой кнопки мыши на индикатор, выбираем RepresentationComplex Double.

Из палитры FunctionsArithmetic & ComparisonMathTrigonometric выбираем нужные нам элемент: Sin & Cos.

Из палитры FunctionsNumeric нужен оператор возведения в квадрат Square.

Из палитры FunctionsNumeric берем пять операторов деления Divide.

Из палитры FunctionsNumeric выбираем два оператора суммирования Add.

Из палитры FunctionsNumeric необходимо взять три оператора вычитания Subtract.

Из палитры FunctionsProgrammingCluster, Class & Variant берем два оператора Bundie.

Из палитры FunctionsProgrammingCluster, Class & Variant берем два      оператора Unbundie.

Монтажным способом соединяем все элементы как показано на (рис. 5.21).

Рис. 5.21. Окно структурной схемы СубВИ:

“ Коэффициент отражения и прохождения ”


Глава 6. Описание компьютерной лабораторной работы

6.1. Цель работы   

Целью работы является изучение поляризации электромагнитной волны и исследование с помощью виртуальной лабораторной установки различных видов поляризации, а также исследование влияния плоской границы раздела двух сред на поляризацию отраженной и преломленной волн.

6.2. Подготовка к работе

Перед выполнением работы необходимо изучить соответствующий лекционный материал, настоящее описание и, при необходимости, рекомендованную литературу [10, с.180-187; 12, с.57-59; 13, с.60-62; 14, с.158-162; 15, с.139-143].

6.3. Краткие теоритические сведения

       Одной из характеристик излученного антенной поля является его поляризация, определяющая характер изменения ориентации и величины векторов поля в зависимости от времени и пространственных координат.

        Пусть, например, излученная волна распространяется в направлении оси Z декартовой системы координат, тогда векторы  и  располагаются  в плоскости ХОУ. В общем случае каждый из векторов можно представить в виде двух ортогональных компонент с неравными амплитудами и фазами:

                     ;  (6.1)

                     ;                                                                                                                             

Где ω – круговая частота, ;

       k – волновое число, ;

волновое сопротивление среды;

орт оси Z

Амплитуды и фазы составляющих зависят от свойств антенны.

Ориентацию векторов поля можно оценить, введя угол ϒ, составляемый вектором  с осью Х. Очевидно, что

   (6.2)

И зависит в общем случае от времени и координаты Z точки наблюдения.  Анализируя выражение для /dt при Z=const, можно сделать вывод, что ориентация вектора  с течением времени меняется. При этом плоскость поляризации, проходящая через вектор  и вектор Пойтинга волны, вращается, совершая за период колебаний один оборот. Такая поляризация называется вращающейся.

          Направление вращения может быть правым или левым. Если в фиксированной точке пространства вектор  с течением времени поворачивается по часовой стрелке при наблюдении в направлении распространения, то вращение считается правым, если против часовой стрелки, то – левым. В первом случае направление вращения составляет с вектором Пойтинга правовинтовую систему, во втором – левовинтовую. Из выражения (6.2) следует, что направление вращения определяется лишь разностью фаз между составляющими и .

При правом вращении (d)>0, что имеет место при sin()>0.

Соответственно левое вращение наблюдается при sinψ>0.

     В том случае, когда составляющие вектора являются синфазными или противофазными (ψ==0; ), положение плоскости поляризации с течением времени не меняется. Тогда вектор в любой момент времени направлен вдоль прямой, наклоненной к оси Х под углом

а поляризация называется линейной.

         При вращающейся поляризации конец вектора   за период описывает в плоскости ХОУ замкнутую траекторию. Ее уравнение получается путем преобразования уравнения (1) и имеет вид

 (6.3)

Входящие в уравнение (6.3) величины и являются значениями составляющих в один и тот же момент времени. Данное выражение представляет собой уравнение эллипса (рис. 6.1). Положение большей оси относительно оси Х характеризуется углом δ, определяемым из выражения

 (6.4)

Рис. 6.1. Поляризационный эллипс

Форма эллипса оценивается коэффициентом эллиптичности

Где  ,  – соответственно большая и малая полуоси эллипса.

      Коэффициент эллиптичности можно выразить через фазу и амплитуду комплексных составляющих , :

где   (6.5)

Рассмотрим отдельные случаи. Соответствующие различным соотношениям между амплитудами и фазами составляющих.

  1.  Пусть ψ=0; ψ= (линейная поляризация). Тогда уравнение (6.3) вырождается в уравнение прямой с наклоном, определяемым выражением для . При этом Р=0.
  2.    

Вместо (3) получается уравнение окружности с радиусом . Такая поляризация называется круговой. В данном случае вектор  вращается с постоянной угловой скоростью ω, не изменяясь по величине, следовательно, Р=1.

Подставляя исходные условия в (1), получаем выражения составляющих круговой поляризации

Здесь знак плюс соответствует волне с правым вращением, а минус – с левым. Таким образом, поле круговой поляризации образуется наложением двух ортогональных в пространстве колебаний равной амплитуды со сдвигом фаз в .

3. Если условия линейной и круговой поляризации не выполняются, то                 поляризация является эллиптической. При этом вектор за период описывает эллипс с 0<P<1. При известных комплексных амплитудах составляющих ,  параметры эллипса рассчитываются по формулам (6.4), (6.5).

Из изложенного следует, что эллиптически поляризованная волна может быть представлена в виде суммы двух взаимно перпендикулярных  полей с линейной поляризацией вида (6.1). Эллиптически поляризованную волну можно представить также как сумму двух волн круговой поляризации разного направления вращения и разной амплитуды.

       Антенны. Излучающие поле эллиптической поляризации, имеют ряд преимуществ по сравнению с антеннами линейной поляризации.

       Антенны вращающейся поляризации целесообразно использовать при приеме сигналов, имеющих случайную поляризацию, например сигналов с летательного аппарата, в радиоастрономии, в радиометеорологии. В радиолокации такие антенны позволяют уменьшить помехи за счет отражений от земли, от осадков и т.д. Вращающуюся поляризацию используют также при работе одной и той же антенны на передачу и прием для увеличения развязки между каналами приема и передачи.

       Эти применения объясняются особенностями приема эллиптически поляризованных волн. Анализ показывает, что мощность в нагрузке антенны с вращающейся поляризацией при приеме эллиптически поляризованной волны зависит от поляризованных характеристик антенны и приходящего сигнала. Для выделения наибольшей мощности антенна и приходящий сигнал должны быть согласованными по поляризации. Согласование обеспечивается, если приходящий сигнал и приемная антенна имеют следующие поляризационные характеристики:

Одинаковый коэффициент эллиптичности;

Одинаковую ориентацию поляризованного эллипса (соответствующие оси обоих эллипсов должны быть параллельными);

Одинаковое направление вращения.

При этом поляризационные характеристики приемной антенны определяются при ее работе в режиме передачи. Если условия согласования не выполняются, то принимаемая мощность уменьшается или вообще равна нулю. В последнем случае приемная антенна и антенна, излучившая сигнал, являются развязанными по поляризации. Развязка достигается, если оба поляризационных эллипса одинаковы по форме, их оси взаимно перпендикулярны, в направлении вращения противоположны. В случае линейной поляризации это соответствует расположению антенн в пространстве ортогонально друг другу. Для антенн круговой поляризации согласованными являются антенны, имеющие одинаковое направление вращения, а развязанными – противоположное вращение. Если одна из антенн имеет круговую, а другая – линейную поляризацию, то принимаемая мощность в два раза меньше, чем для пары согласованных антенн круговой поляризации при прочих равных условиях.

      Поляризационные характеристики антенны зависят от соотношений между амплитудами и фазами ортогональных компонент излученного поля, а они определяются типом антенны и ее амплитудой и фазовой диаграммами направленности. Обычно антенна вращающейся поляризации проектируется так, чтобы в направлении максимума ее диаграммы поляризации была близка к круговой. При отклонении от максимума условия круговой поляризации перестают выполняться, и поляризация становится эллиптической или линейной.

     Известны следующие антенны вращающейся поляризации:

     а) турникетный (крестообразный) излучатель, представляющий собой пару взаимно перпендикулярных вибраторов, питаемых токами равной амплитуды со сдвигом фаз в ;

   б) волноводно-рупорные антенны с фазирующей секцией (поляризатором), которая обеспечивает разложение линейно поляризованного поля на две ортогональные компоненты с фазовым сдвигом в и т.д.

    Наконец, широко применяются спиральные антенны, изучаемые далее.

6.4. Описание программы

Виртуальная лабораторная установка для исследования поляризации поля состоит из двух частей, отображаемых в двух закладках на экране. Первая закладка “Формирование волны произвольной поляризации” работает для двух типов ортогональных составляющих поля: «две линейные» (рис. 6.2) и “две круговые” (рис. 6.3). Вторая закладка Граница раздела двух сред (рис. 6.4).

Рис. 6.2. Закладка “Формирование волны произвольной поляризации”

Составляющие поля “две линейные”

Работа с программой начинается в закладке “Формирование волны произвольной поляризации”. В её левой верхней части имеется выпадающий список “Составляющие поля”, который задает способ формирования волны произвольной поляризации. Под ним расположены регуляторы, задающие амплитуду и начальную фазу для каждой из ортогональных составляющих поля. В самом низу помещены три кнопки: “Векторы”, “Эллипс” и “Доп.”. Справа находится экран, на который, при нажатии на соответствующую кнопку, выводятся вращающиеся векторы поля, эллипс поляризации волны, который в частных случаях превращается в отрезок прямой линии или круг. Дополнительной функцией программы является построение поляризационной характеристики.

Рис. 6.3. Закладка “Формирование волны произвольной поляризации”

Составляющие поля “две круговые”

Для исследования параметров эллипса служат два числовых индикатора “Коэффициент эллиптичности” и “Угол наклона эллипса”. Эти индикаторы появляются под тремя кнопками, когда нажата кнопка “Эллипс”.

На закладке “Граница раздела двух сред” исследуется влияние плоской границы раздела двух сред с заданными электродинамическими параметрами на поляризацию отраженной и преломленной волн. Падающая волна задается как суперпозиция двух ортогональных линейных составляющих с известными значениями амплитуд и начальных фаз.

Рис. 6.4. Закладка “Граница раздела двух сред”

6.5. Порядок выполнения работы

Исследования выполняются в соответствии с выбранным вариантом. Исходные величины взять в таблице 6.1.

Таблица 6.1. Исходные параметры для исследования поляризации электромагнитной волны

Вариант 1

Вариант 2

Вариант 3

Вариант 4

Вариант 5

20

30

45

60

70

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

45

20

80

30

60

  1.  Запустить программу, ознакомиться с органами управления.
  2.  Исследовать поле линейной поляризации:
  3. открыть закладку «Формирование волны произвольной поляризации»;
  4. в выпадающем списке «Составляющие поля» выбрать «две линейные»;
  5. сформировать поле линейной поляризации под углом к горизонту. Параметры поля контролировать по числовым индикаторам “Коэффициент эллиптичности” и “Угол наклона эллипса”. Записать необходимые для этого амплитуды и фазы вертикальной и горизонтальной составляющих поля;
  6. в выпадающем списке Составляющие поля” выбрать “две круговые”;
  7. сформировать поле линейной поляризации под углом к горизонту. Параметры поля контролировать по числовым индикаторам “Коэффициент эллиптичности” и “Угол наклона эллипса”. Записать необходимые для этого амплитуды и фазы составляющих поля правого и левого вращения.
  8.  Исследовать поле круговой поляризации:
  9. в выпадающем списке “Составляющие поля” выбрать “две линейные”;
  10. сформировать поле круговой поляризации правого вращения. Параметры поля контролировать по числовым индикаторам “Коэффициент эллиптичности” и “Угол наклона эллипса”. Записать необходимые для этого амплитуды и фазы вертикальной и горизонтальной составляющих поля;
  11. сформировать поле круговой поляризации левого вращения. Параметры поля контролировать по числовым индикаторам “Коэффициент эллиптичности” и “Угол наклона эллипса”. Записать необходимые для этого амплитуды и фазы вертикальной и горизонтальной составляющих поля.
  12.  Исследовать поле эллиптической поляризации:
  13. в выпадающем списке “Составляющие поля” выбрать “две линейные”;
  14. сформировать поле эллиптической поляризации с вертикальным положением большей оси эллипса и коэффициентом эллиптичности . Параметры поля контролировать по числовым индикаторам “Коэффициент эллиптичности” и “Угол наклона эллипса”. Записать необходимые для этого амплитуды и фазы вертикальной и горизонтальной составляющих поля;
  15. в выпадающем списке “Составляющие поля” выбрать “две круговые”;
  16. сформировать поле эллиптической поляризации с вертикальным положением большей оси эллипса и коэффициентом эллиптичности . Параметры поля контролировать по числовым индикаторам “Коэффициент эллиптичности” и “Угол наклона эллипса”. Записать необходимые для этого амплитуды и фазы составляющих поля правого и левого вращения.
  17.  Исследовать поле эллиптической поляризации с наклоненным эллипсом:
  18. в выпадающем списке “Составляющие поля” выбрать “две линейные”;
  19. сформировать поле эллиптической поляризации с углом к горизонту большей оси эллипса и коэффициентом эллиптичности . Параметры поля контролировать по числовым индикаторам “Коэффициент эллиптичности” и “Угол наклона эллипса”. Записать необходимые для этого амплитуды и фазы вертикальной и горизонтальной составляющих поля;
  20. в выпадающем списке “Составляющие поля” выбрать “две круговые”;
  21. сформировать поле эллиптической поляризации с углом к горизонту большей оси эллипса и коэффициентом эллиптичности . Параметры поля контролировать по числовым индикаторам “Коэффициент эллиптичности” и “Угол наклона эллипса”. Записать необходимые для этого амплитуды и фазы составляющих поля правого и левого вращения.
  22.  Перейти в закладку “Граница раздела двух сред”.
  23. по указанию преподавателя провести исследование влияния границы раздела двух сред на эллипс поляризации отраженной и преломленной волн.
  24.  Объяснить полученные результаты, опираясь на знание теории.
  25.  Оформить и защитить отчёт по работе.


6.6. Требования к отчёту

Отчёт оформляется каждым студентом индивидуально. Он должен содержать краткое описание виртуального эксперимента, результаты измерений, анализ результатов и выводы.

6.7. Контрольные вопросы

1.Что такое поляризация электромагнитной волны?

2. Почему поляризация определяется только по вектору напряжённости электрического поля?

3. Какие бывают виды поляризации гармонической волны?

4. При каких условиях формируется поле линейной поляризации?

5. При каких условиях формируется поле круговой поляризации?

6. Чем отличаются поля правого и левого вращения?

7. Что такое коэффициент эллиптичности?

8. В чём суть измерения поляризации методом линейно поляризованной антенны?

9. Как можно сформировать поле линейной поляризации, наклонённое под 45 градусов к горизонту?

10. Какая фигура будет на индикаторе автоматического прибора измерения поляризации в линейно поляризованном поле?

11. Какая фигура будет на индикаторе автоматического прибора измерения поляризации в поле круговой поляризации?

  


Заключение

Компьютерные лабораторные практикумы с успехом дополняют занятия на традиционных лабораторных установках. Это объясняется возможностями компьютерного моделирования, которые недоступны в реальном лабораторном эксперименте. Имеется в виду визуализация принципиально ненаблюдаемых электромагнитных явлений. Предлагается компьютерная лабораторная работа “Поляризация электромагнитных волн”.

Целью данной лабораторной работы является изучение поляризации электромагнитной волны и исследование с помощью виртуальной лабораторной установки различных видов поляризации, а также исследование влияния плоской границы раздела двух сред на поляризацию отраженной и преломленной волн.

1. Поляризация плоской электромагнитной волны определяет закон изменения направления и величины вектора этой волны в данной точке пространства за период колебания. Годограф вектора   это замкнутая кривая, которую рисует конец вектора за один период колебания. По форме годографа вектора определяют три вида поляризации монохроматических волн: линейная, круговая и эллиптическая.

Волна произвольной поляризации может быть получена как результат сложения двух линейно поляризованных взаимно перпендикулярных составляющих поля. В зависимости от соотношения амплитуд и фаз этих составляющих можно получить линейную, круговую или эллиптическую поляризацию результирующего поля.

2. Компьютерная лабораторная работа представляет собой программу, реализованную в среде графического программирования LabVIEW. Главное окно программы состоит из двух частей, отображаемых в двух закладках на экране. Первая закладка “Формирование волны произвольной поляризации” и вторая закладка “Граница раздела двух сред”.

Работа с программой начинается в закладке “Формирование волны произвольной поляризации”. В её левой верхней части имеется выпадающий список “Составляющие поля”, который задает способ формирования волны произвольной поляризации (стоит в положении “две линейные”). Под ним расположены регуляторы, задающие амплитуду и начальную фазу для каждой из ортогональных составляющих поля. В самом низу помещены три кнопки: “Векторы”,  “Эллипс” и “Доп.”. Справа находится экран, на который, при нажатии на соответствующую кнопку, выводятся вращающиеся векторы поля, эллипс поляризации волны, который в частных случаях превращается в отрезок прямой линии или круг.

Для исследования параметров эллипса служат два числовых индикатора “Коэффициент эллиптичности” и “Угол наклона эллипса”. Эти индикаторы появляются под тремя кнопками, когда нажата кнопка “Эллипс”. Дополнительной функцией программы (кнопка “Доп.”) является построение поляризационной характеристики. (Поляризационная характеристика волны с произвольной поляризацией – это зависимость напряжения на выходе линейно поляризованной  антенны от угла поворота этой антенны в плоскости фазового фронта исследуемого поля.).

3. Волна произвольной поляризации также может рассматриваться как результат сложения двух полей круговой поляризации с противоположными направлениями вращения и разными амплитудами и начальными фазами.

4. Данный способ формирования волны произвольной поляризации реализуется в лабораторной работе при выборе в выпадающем списке “Составляющие поля” пункта "две круговые”. При этом регуляторы теперь задают амплитуду и начальную фазу для каждой из круговых составляющих поля правого и левого направления вращения.

5. Представляет интерес влияние плоской границы раздела двух сред на поляризацию плоской электромагнитной волны, падающей на границу раздела под произвольным углом.

Плоскую волну произвольной поляризации можно представить в виде суперпозиции двух линейно поляризованных плоских волн, одна из которых поляризована нормально (горизонтальная составляющая Emx), а другая – параллельно плоскости падения (вертикальная составляющая Emy).

Для случаев нормальной и параллельной поляризации падающей волны известны выражения коэффициентов отражения и прохождения (коэффициентов Френеля).

С учетом этих коэффициентов можно определить нормальные и параллельные плоскости падения составляющие поля отраженной и преломленной волн.

6. На закладке “Граница раздела двух сред” исследуется влияние плоской границы раздела двух сред с заданными электродинамическими параметрами на поляризацию отраженной и преломленной волн. Падающая волна задается как суперпозиция двух ортогональных линейных составляющих с известными значениями амплитуд и начальных фаз (группа регуляторов вверху справа). Также имеются: регулятор угла падения, регулятор частоты колебаний, группа регуляторов, задающих параметры первой среды, группа регуляторов, задающих параметры второй среды. В нижней части экрана расположены три графических индикатора, на которых отображаются вращающиеся векторы и поляризационные эллипсы падающей, отраженной и преломленной волн. На каждом из графиков указывается значение коэффициента эллиптичности и угла наклона эллипса. Для удобства пользователя добавлен небольшой графический индикатор “Лучи”, который показывает направления распространения падающей, отраженной и преломленной волн.

Разработанная программа может быть использована специалистами, занимающимися созданием антенн с вращающейся поляризацией и вопросами распространения радиоволн вблизи поверхности Земли. Программа также может быть использована в качестве лабораторной работы при изучении студентами курса “Электродинамика и распространение радиоволн”.


Список литературы:

  1. Жарков Ф.Д., Каратаев В.В., Никифоров В.Ф., Панов В.С. Использование виртуальных инструментов LabVIEW / Под ред. Демирчяна К.С. и  Миронова В.Г. – М.: Радио и связь, 1999. – 268 с.
  2. Батоврин В.К., Бессонов А.С., Мошкин В.В., Папуловский В.Ф. LabVIEW: практикум по основам измерительных технологий. – М.: ДМК Пресс, 2005. 208 с.
  3. Батоврин В. К., Бессонов А. С., Мошкин В. В. LabVIEW: практикум по по электронике и микропроцессорной технике. – М.: ДМК Пресс, 2005. – 182 с.
  4. Бутырин П.А., Васьковская Т.А., Каратаев В.В., Материкин С.В. Автоматизация физических исследований и эксперимента: компьютерные измерения и виртуальные приборы на основе LabVIEW 7 (30 лекций) / Под ред. Бутырина П.А. – М.: ДМК Пресс, 2005. 264 с.
  5. Суранов А.Я. LabVIEW 7: справочник по функциям. – М.: ДМК Пресс, 2005. 512 с.
  6. Пейч Л. И., Точилин Д. А., Поллак Б. П. LabVIEW для новичков и специалистов. – М.: Горячая линия – Телеком, 2004. – 384 с.
  7. Тревис Дж.  LabVIEW для всех – М.: ДМК Пресс, 2005. – 544 с.
  8. Евдокимов Ю.К., Линдваль В.Р., Щербаков Г.И. LabView для радиоинженера: от виртуальной модели до реального прибора. Практическое руководство для работы в программной среде Labview. – М.: ДМК Пресс, 2007. – 400 с.
  9. Пименов Ю.В. Линейная макроскопическая электродинамика. Вводный курс для радиофизиков и инженеров. Долгопрудный: Изд. дом "Интеллект", 2008. 536 с.
  10. Пименов Ю.В., Вольман В.И., Муравцов А.Д. Техническая электродинамика. – М.: Радио и связь, 2000. – 536 с.
  11. Ерохин Г.А., Чернышев О.В., Козырев Н.Д., Кочержевский В.Г. Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн. М.: Горячая линия Телеком, 2004. – 491 c.
  12. Баскаков С.И. Основы электродинамики. -М.:Советское радио, 1973. – 248 с.
  13. Семёнов Н.А. Техническая электродинамика. -М.:Связь, 1973. – 480 с.
  14. Красюк Н.П., Дымович Н.Д. Электродинамика и распространение радиоволн. -М.:Высшая школа, 1974. – 536 с.
  15. Фальковский О.И. Техническая электродинамика. -М.:Связь, 1978. – 432 с.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

124. АНАЛІЗ КОНФЛІКТНИХ СИТУАЦІЙ. ЕЛЕМЕНТИ ТЕОРІЇ ІГОР 295.5 KB
  В теорії ігор супротивники – гравці. Кожен з гравців має деяку множину (скінченну або нескінченну) можливих дій (стратегій). Результати в грі задаються функціями, що залежать від стратегій кожного з гравців. Гра з двома гравцями, у якій виграш одного з гравців дорівнює програшу другого, називається грою з нульовою сумою. У такій грі достатньо задати результати у вигляді платежів одного з гравців.
125. Основы гражданской обороны. Структура и место в обществе 186 KB
  Концепция современной войны значительно уменьшает вероятность ковровых бомбежек с массовым поражением населения и огромными разрушениями жилого фонда, что требовало эвакуации граждан в пригородную зону.
126. Основные понятия системного анализа и его критерии 540.5 KB
  Системный анализ - наука, занимающаяся проблемой принятия решения в условиях анализа большого количества информации различной природы. Из определения следует, что целью применения системного анализа к конкретной проблеме является повышение степени обоснованности принимаемого решения, расширение множества вариантов, среди которых производится выбор, с одновременным указанием способов отбрасывания заведомо уступающим другим.
127. Системи керування Базами Даних 61 KB
  Microsoft SQL Server — комерційна система керування базами даних, що розповсюджується корпорацією Microsoft. Мова, що використовується для запитів — Transact-SQL, створена спільно Microsoft та Sybase. Transact-SQL є реалізацією стандарту ANSI/ISO щодо структурованої мови запитів (SQL) із розширеннями. Використовується як для невеликих і середніх за розміром баз даних, так і для великих баз даних масштабу підприємства. Багато років вдало конкурує з іншими системами керування базами даних.
128. Свой сайт самостоятельно SQL. 10 минут на урок. 51.75 MB
  Данная книга поможет вам в кратчайшие сроки освоить SQL — самый популярный язык баз данных. Начиная с простых запросов на выборку данных, автор урок за уроком рассматривает все более сложные темы, такие как использование операций объединения, подзапросы, хранимые процедуры, индексы, триггеры и ограничения. На изучение материала каждого урока вам потребуется не более 10 минут. Благодаря этой книге вы быстро научитесь самостоятельно составлять запросы к базам данных на языке SQL без чьей-либо помощи.
129. Организация труда на предприятии по изготовлению алюминия 94.93 KB
  Расчет производственной программы электролизного цеха. Расчет эффективного фонда времени одного рабочего на год. Расчет амортизационных отчислений на содержание зданий и сооружений. Составление плановой калькуляции себестоимости одной тонны алюминия.
130. Обучение математическому моделированию как основному методу решения текстовых задач в курсе алгебры основной школы 517 KB
  Психолого-педагогические основы обучения решению текстовых задач в курсе алгебры основной школы. Математическое моделирование – один из основных методов решения текстовых задач в основной школе. Методика обучения решению текстовых задач на основе моделирования задачной ситуации.
131. Обеспечение общих условий электробезопасности на участке настройки (регулировки) лабораторного стенда блока тригонометрических преобразований 97.41 KB
  В общем комплексе мероприятий, связанных с созданием современной электронной и радиоэлектронной аппаратуры, технология микросхем, сборки и монтажа аппаратуры занимает особое место. При осуществлении технологических процессов требуется энергоемкое оборудованье с высоким питающий напряжением электрического тока.
132. Демонстрационные опыты с оптики в средней школе с использованием призмы 350.5 KB
  В данной работе исследована проблема постановки опытов по геометрической оптике с использованием призмы в средней школе. Выбраны наиболее наглядные и интересные опыты по оптике с использованием оборудования, которое может быть приобретено любой школой или изготовлено самостоятельно.