СПОСОБ ОБРАБОТКИ ИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ НА ОСНОВЕ ЯДЕРНОГО СПИНОВОГО ЭХА
METHOD OF PROCESSING PULSED SIGNALS BASED ON NUCLEAR SPIN ECHO

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к методам обработки радиосигналов. Оно может быть использовано в радиолокации, в телекоммуникациях, а также в других областях, где выполняются аналоговые преобразования, для увеличения скорости обработки информации в системах, базирующихся на эффекте ядерного спинового эха.
Наряду с цифровыми способами обработки сигналов в настоящее время применяются и представляются перспективными такие, которые основаны на функциональных возможностях физических сред [Л.А. Рассветалов. Функциональная электроника, Новгород: Изд-во Нов. ГУ им. Ярослава Мудрого, 1999, 116 с.]. Преобразование информации в них может быть как простым (например, задержкой сигнала без изменения его формы), так и достаточно сложным - сжатием, оптимальной фильтрацией, разложением в спектр и т.п. Данные операции в ряде случаев выполняют в линиях задержки. Последние отличаются простотой конструкции и создаются с применением различных механизмов задержки физических носителей сигнала: электромагнитных волн (в кабелях и оптических волокнах), акустических волн (в ультразвуковых линиях), магнитостатических волн (в линиях на магнитных материалах). Свойственные им недостатки могут быть разными: так, кабельные линии и линии на магнитостатических волнах, как правило, имеют небольшие времена задержки, а в ультразвуковых линиях достаточно велико затухание, но к общему следует отнести невозможность быстро перестраивать работу системы с одного типа преобразования сигнала на другой.
Существует свободный от данного недостатка способ обработки импульсных сигналов, использующий явление спинового эха [М.П. Петров, С.И. Степанов. Обработка информации в радиотехнических системах методом спинового эха. Обзоры по электронной технике, сер. 1 "Электроника СВЧ". М,, ЦНИИ "Электроника", 1976, вып.10 (385), 30 с; В.И. Тарханов. Принцип работы спинового эхо-процессора. Научное приборостроение, 2003, т.13, №1, с.51-57]. Фактически он также представляет собой некоторый вид задержки, основанный, однако, на привлечении иного принципа, а именно на формировании импульсного отклика в некотором материале (рабочем веществе) под воздействием радиочастотных (РЧ) импульсов. Отклик, носящий название спинового, эха, является выходным сигналом рабочего вещества, и возникает в нем при возбуждении нестационарного электронного или ядерного магнитного резонанса несколькими РЧ импульсами. Их число может быть велико, но не должно быть менее двух, а импульсная посылка содержит информационные (поступающие извне) и управляющие (вырабатываемые внутри системы, реализующей способ) РЧ импульсы. Например, двухимпульсная посылка может состоять из информационного импульса небольшой амплитуды (радиолокационного или телекоммуникационного сигнала) и сильного управляющего импульса. Их совместное действие приводит к появлению эхо-сигнала на той же несущей радиочастоте и в момент времени, равный удвоенной задержке между импульсами (при отсчете времени от начала первого). Следовательно, задержка, которая уже сама по себе является некоторым видом обработки, в данной системе регулируется подачей управляющего импульса. Показано [М.П. Петров, С.И. Степанов. Обработка информации в радиотехнических системах методом спинового эха. Обзоры по электронной технике, сер. 1 "Электроника СВЧ", М., ЦНИИ "Электроника", 1976, вып.10 (385), 30 с], что подбором внутриимпульсной модуляции можно дополнительно обеспечить самые разнообразные преобразования входной информации. Поскольку модуляция допускает изменение от посылки к посылке, систему здесь можно перестраивать с максимально возможной частотой, определяемой частотой поступления посылок (или периодом их повторения, Тп). Таким образом, данный способ обладает очень высокой функциональной гибкостью. Однако и он имеет существенный недостаток - необходимость применения мощных РЧ импульсов, что чрезвычайно усложняет техническую реализацию способа в современных компактных радиосистемах.
п
За прототип принят способ обработки импульсных сигналов на основе ядерного спинового эха, использующий в качестве рабочего вещества магнитоупорядоченный материал [М.М. Нестеров, И.В. Плешаков, Я.А. Фофанов. Информационно-физические свойства нестационарных откликов в системах обработки импульсных сигналов. Научное приборостроение, 2006, т.16, №2, с.3-21]. Для наблюдения в нем ядерного магнитного резонанса не нужны импульсы большой интенсивности, то есть сохраняя все преимущества рассмотренных аналогов, прототип не обладает их недостатками, что делает его перспективным для применения в системах функциональной электроники. Внедрение данного способа сдерживается, однако, тем, что при поступлении на рабочее вещество многоимпульсных последовательностей возникает множество паразитных сигналов. При подаче импульсных посылок с малым периодом повторения Т появляются отклики спиновой системы, связанные с взаимодействием РЧ импульсов разных посылок (далее - перекрестными). Они по амплитуде соизмеримы с полезными и в процессе обработки поступающих информационных импульсов будут вызывать ложные срабатывания. Следовательно, внутренние помехи системы, реализующей прототип, делают практически невозможной обработку информации с высокой скоростью.
Технической задачей настоящего изобретения является увеличение объема информации, обрабатываемой в единицу времени, то есть повышение эффективности системы за счет увеличения скорости ее работы.
Поставленная задача решается тем, что к рабочему веществу прикладывают импульсное магнитное поле, действующее на протяжении интервала времени, в течение которого на вещество поступают возбуждающие радиочастотные импульсы и возникают отклики рабочего вещества в виде полезных эхо-сигналов, при этом амплитуду импульсного магнитного поля задают из условия смещения доменных границ, при котором происходит подавление паразитных откликов.
Действие способа поясняется следующими графическими изображениями:
Фигура 1. Иллюстрация физического принципа воздействия магнитного поля;
Фигура 2. Временные диаграммы последовательностей, показывающие применение предлагаемого способа к обработке двухимпульсных посылок;
Фигура 3. Схема экспериментальной проверки предлагаемого способа;
Фигура 4. Осциллограммы, демонстрирующие различные режимы работы системы, реализующей предлагаемый способ;
Фигура 5. Временные диаграммы, поясняющие такой вариант реализации предлагаемого способа, при котором формируется ступенчато нарастающее магнитное поле;
Фигура 6. Временные диаграммы, поясняющие такой вариант реализации предлагаемого способа, при котором формируется знакопеременное магнитное поле нарастающей амплитуды.
На данных графических изображениях приняты следующие обозначения:
1 - образец или часть образца магнитоупорядоченного вещества;
2 - магнитный домен;
3 - противоположно намагниченный домен;
4 - доменная граница (ДГ);
5 - направление магнитного поля;
6 - импульсное магнитное поле;
7 - полезный отклик (сигнал двухимпульсного спинового эха);
8-17 - паразитные отклики;
18 - импульсное магнитное поле малой амплитуды.
19 - импульсное магнитное поля большой амплитуды.
20 - канал поступления информационных импульсов;
21 - канал формирования управляющих импульсов;
22 - сумматор (катушка, намотанная на рабочее вещество);
23 - рабочее вещество (кольцеобразный литий-цинковый феррит);
24 - катушка, создающая импульсное магнитное поле в феррите;
25 - канал формирования импульсного магнитного поля (генератор видеоимпульса);
26 - усилитель с детектором;
27 - осциллограф;
28 - первый РЧ импульс первой возбуждающей посылки (при экспериментальной проверке способа);
29 - второй РЧ импульс первой возбуждающей посылки (при экспериментальной проверке способа);
30 - первый РЧ импульс второй возбуждающей посылки (при экспериментальной проверке способа);
31 - второй РЧ импульс второй возбуждающей посылки (при экспериментальной проверке способа);
32 - луч осциллографа, на котором отображено импульсное магнитное поле;
33 - луч осциллографа, на котором отображены про детектированные РЧ импульсы и эхо-сигналы;
34 - первый РЧ импульс двухимпульсной посылки (при подаче на рабочее вещество посылок с малым периодом повторения);
35 - второй РЧ импульс двухимпульсной посылки (при подаче на рабочее вещество посылок с малым периодом повторения);
36 - полезный отклик (при подаче на рабочее вещество посылок с малым периодом повторения);
37 - импульсное магнитное поле специальной формы;
А - обозначение первого РЧ импульса первой двухимпульсной возбуждающей посылки;
В - обозначение второго РЧ импульса первой двухимпульсной возбуждающей посылки;
С - обозначение первого РЧ импульса второй двухимпульсной возбуждающей посылки;
D - обозначение первого РЧ импульса второй двухимпульсной возбуждающей посылки;
1
S - обозначение первой двухимпульсной возбуждающей посылки;
2
S - обозначение второй двухимпульсной возбуждающей посылки;
3
S - обозначение третьей двухимпульсной возбуждающей посылки.
Рассмотрим физический механизм, на котором основывается предложенный способ. Как известно, процесс намагничивания вещества на начальном этапе состоит в смещении доменных границ (ДГ), причем при относительно небольших приложенных полях смещение носит обратимый характер, т.е. при снятии поля границы возвращаются в исходное состояние [Тикадзуми. Физика ферромагнетизма.- М.: Мир, 1987, 419 с]. С другой стороны, установлено [И.В. Плешаков, С.И. Голощапов, Ю.И. Кузьмин, А.П. Паугурт, Я.А. Фофанов, В.И. Дудкин, Н.С. Клехта, А.И. Явтушенко. Анализ поведения сигнала ядерного спинового эха в намагничиваемом феррите. Научное приборостроение, 2012, т.22, №3, с.61-68.], что ядерное спиновое эхо в магнитоупорядоченных материалах наилучшим образом наблюдается в ДГ - именно это обеспечивает возможность использования РЧ импульсов малой интенсивности. Следовательно, подавая магнитное поле со специальным образом подобранной амплитудой и действующее в течение какого-то времени на образец, можно на это время смещать внутри образца ту область, в которой формируются эхо-сигналы, и таким образом управлять выходными откликами. Это поясняется фиг.1. На ней показан условный образец магнитоупорядоченного вещества 1, разделенный на два противоположно намагниченных домена 2 и 3 ДГ 4 (которая есть область быстрого переворота намагниченности). В действительности он может быть фрагментом магнитного соединения, одним зерном поликристаллического материала и т.п. Фиг.1а демонстрирует такой образец в нулевом поле в размагниченном состоянии. Приложение в направлении 5 импульсного магнитного поля 6 приводит к тому, что домен 2, имеющий более выгодную с энергетической точки зрения ориентацию намагниченности, увеличивается за счет домена 3, и ДГ 4 занимает новое положение, уходя из положения равновесия (фиг.1б), обозначенного пунктирной линией. Если во время действия магнитного поля на вещество подаются РЧ импульсы, они будут возбуждать ядерную спиновую систему в той части образца, которая соответствует этому новому положению. Только в том случае, когда импульс магнитного поля 6 перекрывает интервал, на котором могут возникнуть полезные эхо-сигналы, последние успевают сформироваться и будут зарегистрированы.
Если амплитуда импульса магнитного поля такова, что оно смещает ДГ 4 на расстояние, приблизительно равное ее толщине (как показано на фиг.1б), произойдет практически полное подавление всех перекрестных откликов, которые могли бы возникнуть в результате действия разных импульсных посылок, поскольку они возбуждают спины в пространственно разделенных частях образца. (Эквивалентно тому, что это произошло в разных рабочих веществах.) Но даже и при меньших сдвигах перекрестные паразитные отклики будут уменьшаться, так как они пропорциональны перекрытию областей возбуждения. Регулируя амплитуду поля, можно передвигать ДГ 4 и в другие положения (фиг.1в), позволяя таким образом подавать следующие посылки. (Отметим допустимость применения импульсного магнитного 6 иной полярности, сдвигающих ДГ в противоположном направлении, фиг.1г.) Следовательно, зная приемлемый для конкретной ситуации уровень помех (являющийся здесь условием подавления паразитных откликов), достаточно обеспечить его выбором амплитуды импульса поля.
1
2
п
1
2
1
2
Временные диаграммы импульсных последовательностей, иллюстрирующие сказанное выше, приведены на фиг.2. Здесь первая посылка S состоит из информационного (А) и считывающего (В) РЧ импульсов, вторая посылка S поступает со временем задержки Т и состоит из информационного (С) и считывающего (D) РЧ импульсов, за интервал обработки τ принято время, проходящее между поступлением последнего РЧ импульса S и первого РЧ импульса S. Полезные отклики 7 формируются в виде сигналов двухимпульсного спинового эха от импульсов АВ и CD, а паразитные отклики 8-17 возникают вследствие взаимодействия РЧ импульсов из разных посылок (в Таблице для каждого из них указываются эти РЧ импульсы, а также физическая природа отклика). На фиг.2а показан полный выходной сигнал рабочего вещества 1, на которое действуют посылки S и S, и содержащий, кроме полезных эхо-сигналов 7, множество паразитных откликов 8-17. Пусть далее к рабочему веществу 1 прикладывается импульсное магнитное поле (18 или 19). В том случае, когда поле, показанное на фиг.2б как видеоимпульс 18, имеет небольшую амплитуду, все перекрестные отклики уменьшатся до некоторого уровня, фиг.2в. Если требуется их дополнительное понижение, поле может быть увеличено, что изображено как видеоимпульс большой амплитуды 19 на фиг.2г. Результат такого воздействия показан на фиг.2д, где паразитные отклики уже полностью устранены. Обратим внимание на то, что перекрестные отклики не возникают даже по окончании действия видеоимпульса (имеются в виду отклики 13-17), поскольку они должны быть образованы РЧ импульсами из разных посылок, а последние возбуждает спиновую систему в разных местах образца, так как вторая посылка импульсом поля перекрыта. При этом упомянутое выше требование перекрытия магнитным полем момента появления полезного эхо-сигнала является обязательным, так как и его возбуждение и его формирование должно происходить в одной области пространства.
п
1
2
В силу действия рассмотренного механизма никакие эхо-сигналы, обозначенные в Таблице буквами, относящимися к разным посылкам (ABC, ABD, ВС, AC, BCD, ACD, BD и AD), не могут появляться при воздействии на рабочее вещество 1 импульсным магнитным полем 19, прикладываемым к веществу во время действия состоящей из радиочастотных импульсов посылки и интервала, на котором возникают отклики рабочего вещества в виде полезных эхо-сигналов 7. Полезные отклики 7 (АВ и CD) при этом сохраняются. Это означает, что можно существенно уменьшить Т, то есть выполнить временное уплотнение обрабатываемых импульсных посылок S и S, обеспечивая увеличение объема информации, обрабатываемой в единицу времени.
Таким образом, продемонстрировано, что отличительные признаки изобретения являются необходимыми и достаточными для решения поставленной технической задачи.
57
0.425
2.425
0.15
4
1
1
2
п
1
1
2
2
п
Примером конкретного выполнения предлагаемого изобретения служит способ обработки импульсных сигналов на основе спинового эха ядер Fe в литий-цинковом феррите (LiFeZnO). В дополнение к выполненному выше рассмотрению физической модели механизма управления откликами магнитоупорядоченного вещества пример дает ее экспериментальную проверку, а также демонстрирует возможность временного уплотнения информации для случая двух двухимпульсных посылок. На фиг.3 показана схема установки, реализующей способ для данного случая. Информационным импульсом в нем служит РЧ импульс, вырабатываемый генератором сигналов 20. Такой же по параметрам, но задержанный относительно первого РЧ импульс создается в генераторе 21 (конструктивно аналогичном генератору 20), играя роль управляющего. Несущая радиочастота составляет 68 МГц (частота ядерного магнитного резонанса в указанном материале). РЧ импульсы А и В поступают на действующую в качестве сумматора катушку 22, которая намотана на кольцеобразный феррит (рабочее вещество) 23. Сформированная таким образом посылка РЧ импульсов S возбуждает двухимпульсные эхо-сигналы, являющиеся полезными откликами ядерной спиновой системы, и принимаемые той же катушкой, которая служит для возбуждения. На рабочее вещество 23 намотана дополнительная катушка 24, формирующая импульсное магнитное поле (соответствующее 18 или 19), и питаемая от генератора видеоимпульса 25. Отклики спиновой системы поступают на усилитель с детектором 26 и далее регистрируются осциллографом 27. Когда на рабочее вещество 1 подавались две посылки S и S, разделенные небольшим интервалом Т (что легко было обеспечить задающим генератором, синхронизирующим работу системы), в нем возникали перекрестные паразитные отклики, соответствующие показанным на фиг.2а (8-17). Воздействие на рабочее вещество 1 импульсным магнитным полем приводило к их устранению. Это показано на осциллограммах, демонстрирующих работу системы в разных режимах (фиг.4), где: 28 - первый РЧ импульс посылки S (А), 29 - второй РЧ импульс посылки S (В), 30 - первый РЧ импульс посылки S (С), 31 - второй РЧ импульс посылки S (D). На луче осциллографа 32 отображено импульсное магнитное поле, на луче 33, продетектированные РЧ импульсы и эхо-сигналы. Задержка между А и В составляла примерно 120 мкс, между С и D - 250 мкс, Т=400 мкс. Из фиг.4а, где показана последовательность, не подвергнутая действию импульсного поля, видно, что на протяжении длительного интервала после импульса D возникает множество эхо-сигналов, маскирующих полезный (соответствуют 8-17). Далее включается импульс поля (18 или 19). Вначале его амплитуда подбирается таким образом, чтобы полного исчезновения всех перекрестных откликов не происходило (18). В эксперименте она была такой, что большая часть паразитных откликов устранялась, при сохранении, однако, эха типа ABD (номер 10 в Таблице) с сильно уменьшенной интенсивностью. Если в конкретной ситуации этого достаточно, цель считается достигнутой, в противном случае амплитуда импульсного магнитного поля может быть изменена (19). На фиг.4в показано действие поля в том случае, когда его амплитуда увеличена еще примерно в два раза. Здесь наблюдается практически полное (до уровня шумов) подавление всех нежелательных сигналов, а полезный сохранен. Таким образом, на приведенном примере экспериментально доказана правильность концепции, положенной в основу предложенного способа, показана его работоспособность как технического решения, а также продемонстрирована возможность провести временное уплотнение канала обработки информации в два раза.
1
1
2
п
1
1
1
2
N
1
2
3
п
1
1
Вторым примером конкретного выполнения является применение способа, структурно реализованного такой же системой, которая показана на фиг.3, но имеющей иной режим работы канала 25, создающего импульсное магнитное поле 6. Если рабочее вещество 1 имеет время продольной релаксации Т, то без принятия мер, соответствующих отличительным признакам изобретения, обработка РЧ импульсов не может происходить с периодом повторения, существенно меньшим, чем эта величина [М.М. Нестеров, И.В. Плешаков, Я.А. Фофанов. Информационно-физические свойства нестационарных откликов в системах обработки импульсных сигналов. Научное приборостроение, 2006, т.16, №2, с.3-21]. Для решения задачи обработки многих импульсных посылок S, S… может потребоваться подавать их с периодом повторения Т<<T (то есть уложить на интервале времени ~ T большое количество посылок S, S…S, N>>1). В этом случае импульсное магнитное поле должно специальную форму. На фиг.5 показаны временная диаграмма импульсной последовательности и эпюра поля. Здесь 34 и 35 - соответственно первый и второй РЧ импульсы посылки, 36 - полезный эхо-сигнал, 37 - ступенчато нарастающее магнитное поле. На фиг.5а изображена последовательность посылок S, S, S…, разделенных интервалом Т, гораздо меньшим, чем T, но дающих отклики только в виде полезного сигнала двухимпульсного эха 36. Последнее достигается тем, что к приходу каждой новой посылки подается импульс магнитного поля с увеличенной амплитудой 37 и ДГ 4, в которых формируются отклики, каждый раз перемещаются в новое положение (как показано на фиг.1б и 1в). По прошествии времени T и окончании цикла амплитуда поля возвращается к исходному (нулевому) значению. Таким образом, из фиг.5 видно, что подбирая вид импульса магнитного поля (37), можно обеспечить значительное уплотнение обрабатываемой информации.
1
2
3
1
2
3
Третий пример конкретного исполнения является модификацией второго и демонстрирует дополнительную возможность увеличения частоты следования посылок. Его принцип поясняется фиг.6 (обозначения те же, что на фиг.5). Как и ранее, по мере поступления каждой новой импульсной посылки (S, S, S…) на рабочее вещество 1 действует магнитное поле 37 в виде длительного импульса с увеличивающейся от посылки к посылке амплитудой, но с попеременно изменяющимся знаком. Следовательно, отклики, возбуждаемые соседними по времени импульсными посылками, будут формироваться в ДГ 4, сдвигаемой в разные стороны от исходного положения (как показано на фиг.1б и 1г.). Поскольку при таком воздействии суммарно задействуется вдвое больший объем рабочего вещества 1, период поступления посылок РЧ импульсов S, S, S… по сравнению с предыдущим случаем может быть дополнительно увеличен в два раза, то есть уплотнение импульсной последовательности возрастает вдвое.
1
2
Эффективность предлагаемого изобретения состоит в том, что оно позволяет многократно увеличить объем информации, обрабатываемой в единицу времени методом ядерного спинового эха. Следовательно, оно полезно тем, что при его использовании повышается эффективность системы преобразования информации за счет увеличения скорости ее работы. Экспериментально было установлено, что частоту импульсных посылок S, S можно повысить как минимум в два раза, а рассмотрение, выполненные на основе модельных представлений, показало, что она может быть дополнительно повышена еще в несколько раз. Один из главных недостатков спиновых способов обработки информации, не дающий возможности обрабатывать импульсные посылки, поступающие с малым периодом повторения, без существенного возрастания помех, можно считать, таким образом, устраненным. Ожидается, что предлагаемое изобретение будет способствовать внедрению в радиотехнику (радиолокацию, связь и другие отрасли) систем, использующих эффект ядерного спинового эха в магнитных материалах, которые обладают высокими функциональными возможностями.