МЕТОДИ КОМПЕНСАЦІЇ СПОТВОРЕНЬ ОЦІНОК ФАЗИ У БАГАТОЗОНДОВИХ МІКРОХВИЛЬОВИХ ВИМІРЮВАЧАХ
DOI: https://doi.org/10.15407/itm2025.02.072 This paper addresses the problem of the accuracy of contactless relative displacement measurement with the help of a multiprobe measuring line in the microwave range. Attention is given to measurement errors that arise from inaccuracies in the probe place...
Saved in:
| Date: | 2025 |
|---|---|
| Main Authors: | , |
| Format: | Article |
| Language: | Ukrainian |
| Published: |
текст 3
2025
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://journal-itm.dp.ua/ojs/index.php/ITM_j1/article/view/113 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Technical Mechanics |
Institution
Technical Mechanics| id |
oai:ojs2.journal-itm.dp.ua:article-113 |
|---|---|
| record_format |
ojs |
| institution |
Technical Mechanics |
| baseUrl_str |
|
| datestamp_date |
2025-11-04T12:22:19Z |
| collection |
OJS |
| language |
Ukrainian |
| topic |
параметричний спектральний аналіз параметричний підхід метод Проні коефіцієнт відбиття цифрова обробка даних багатозондові вимірювання вимірювання вібрацій оцінка параметрів обернені задачі. |
| spellingShingle |
параметричний спектральний аналіз параметричний підхід метод Проні коефіцієнт відбиття цифрова обробка даних багатозондові вимірювання вимірювання вібрацій оцінка параметрів обернені задачі. DROBAKHIN, O. O. OLEVSKYI, O. V. МЕТОДИ КОМПЕНСАЦІЇ СПОТВОРЕНЬ ОЦІНОК ФАЗИ У БАГАТОЗОНДОВИХ МІКРОХВИЛЬОВИХ ВИМІРЮВАЧАХ |
| topic_facet |
parametric spectral analysis parametric approach Prony’s method reflection coefficient digital data processing multiprobe measurements vibration measurements parameter estimation inverse problems. параметричний спектральний аналіз параметричний підхід метод Проні коефіцієнт відбиття цифрова обробка даних багатозондові вимірювання вимірювання вібрацій оцінка параметрів обернені задачі. |
| format |
Article |
| author |
DROBAKHIN, O. O. OLEVSKYI, O. V. |
| author_facet |
DROBAKHIN, O. O. OLEVSKYI, O. V. |
| author_sort |
DROBAKHIN, O. O. |
| title |
МЕТОДИ КОМПЕНСАЦІЇ СПОТВОРЕНЬ ОЦІНОК ФАЗИ У БАГАТОЗОНДОВИХ МІКРОХВИЛЬОВИХ ВИМІРЮВАЧАХ |
| title_short |
МЕТОДИ КОМПЕНСАЦІЇ СПОТВОРЕНЬ ОЦІНОК ФАЗИ У БАГАТОЗОНДОВИХ МІКРОХВИЛЬОВИХ ВИМІРЮВАЧАХ |
| title_full |
МЕТОДИ КОМПЕНСАЦІЇ СПОТВОРЕНЬ ОЦІНОК ФАЗИ У БАГАТОЗОНДОВИХ МІКРОХВИЛЬОВИХ ВИМІРЮВАЧАХ |
| title_fullStr |
МЕТОДИ КОМПЕНСАЦІЇ СПОТВОРЕНЬ ОЦІНОК ФАЗИ У БАГАТОЗОНДОВИХ МІКРОХВИЛЬОВИХ ВИМІРЮВАЧАХ |
| title_full_unstemmed |
МЕТОДИ КОМПЕНСАЦІЇ СПОТВОРЕНЬ ОЦІНОК ФАЗИ У БАГАТОЗОНДОВИХ МІКРОХВИЛЬОВИХ ВИМІРЮВАЧАХ |
| title_sort |
методи компенсації спотворень оцінок фази у багатозондових мікрохвильових вимірювачах |
| title_alt |
METHODS TO COMPENSATE ESTIMATED PHASE DISTORTIONS IN MULTIPROBE MICROWAVE METERS |
| description |
DOI: https://doi.org/10.15407/itm2025.02.072
This paper addresses the problem of the accuracy of contactless relative displacement measurement with the help of a multiprobe measuring line in the microwave range. Attention is given to measurement errors that arise from inaccuracies in the probe placement and probe spacing measurement and inaccuracies in oscillator frequency setting. These inaccuracies can be caused by excessive vibrations and temperature variations. The paper overviews two standard methods: the discrete Fourier transform method and the two-probe method. New approaches based on Prony’s method and the normalized propagation constant correction method are studied. Prony’s method approach uses a modified version of Prony’s method in order to reduce the required number of probes. The novel approach is based on approximating the signal model with the help of a linear approximation of the harmonic component with a shifted value of the normalized propagation constant. The former method significantly reduces the signal distortion, while the latter is sufficient for small distortions and shows a faster computational speed. The methods were first tested on a deterministic noiseless model with phase distortions due to errors in the propagation constant followed by testing them on a model both with propagation constant errors and with additive white Gaussian noise present. The tests gave empirical ranges of applicability of each of the methods including the standard ones based on their performance. For the proposed methods, these ranges are sufficient for real-world applications, and they mainly impose restrictions on the probe spacing measurement accuracy because the oscillator frequency accuracy provided by modern equipment lies well within them. The methods improve the relative displacement measurement accuracy for a waveguide system model subject to vibrations that affect the electrical probe spacing.
REFERENCES
1. Doronin A. V., Gorev N. B., Kodzhespirova I. F., Privalov E. N. A way to improve the accuracy of displacement measurement by a two-probe implementation of microwave interferometry. Progress in Electromagnetics Research M. 2013. V. 30. Pp. 105-116.https://doi.org/10.2528/PIERM13020504
2. Ghannouchi F. M., Mohammadi A. The Six-Port Technique with Microwave and Wireless Applications. Artech House, 2009. 236 рp.
3. Pylypenko O. V., Gorev N. B., Doronin A. V., Kodzhespirova I. F. Phase ambiguity resolution in relative displacement measurement by microwave interferometry. Teh. Meh. 2017. No. 2. Pp. 3-11
4. Drobakhin O. O. Development of measurement methods in microwave and terahertz ranges of electromagnetic waves in Ukraine (Review). Radioelectronics and Communications Systems. 2024. V. 67. No. 4. Pp. 161-179.https://doi.org/10.3103/S0735272724040034
5. Andreev M. V., Drobakhin O.O., Saltykov D. Yu. Techniques of measuring reflectance in free space in the microwave range. 2016 9th International Kharkiv Symposium on Physics and Engineering of Microwaves, Millimeter and Submillimeter Waves (MSMW 2016). June 20-24 2016. Pp. 1-4.https://doi.org/10.1109/MSMW.2016.7538213
6. Ghannouchi F. M., Bosisio R. G. A wideband millimeter wave six-port reflectometer using four diode detectors calibrated without a power ratio standard. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. 1991. V. 40. No. 6. Pp. 1043-1046. https://doi.org/10.1109/19.119791
7. Doronin A. V., Gorev N. B., Kodzhespirova I. F., Privalov E. N. Displacement measurement using a two-probe implementation of microwave interferometry. Progress in Electromagnetics Research C. 2012. V. 32. Pp. 245-258.https://doi.org/10.2528/PIERC12071805
8. Pylypenko O. V., Gorev N. B., Doronin A. V., Kodzhespirova I. F. Experimental verification of a two-probe implementation of microwave interferometry for displacement measurement. Teh. Meh. 2017. No. 1. Pp. 5-12.
9. Andreev M. V., Drobakhin O. O., Saltykov D. Yu., Gorev N. B., Kodzhespirova I. F. Three-probe microwave interferometry for measuring displacement of mechanical objects with account for antenna reflectivity. Radioelectronics and Communications Systems. 2022. V. 65. No. 4. Pp. 177-185.https://doi.org/10.3103/S0735272722040021
10. Drobakhin O. O. Prony's-method identification of parameters of model which is sum of exponential functions. Optoelectronics, Instrumentation, and Data Processing. 1989. No. 4. Pp. 37-42.
11. Andreev M. V., Drobakhin O. O., Saltykov D. Yu. Complex reflection coefficient determination via digital spectral analysis of multiprobe reflectometer output signals. 2017 IEEE First Ukraine Conference on Electrical and Computer Engineering (UKRCON) Proceedings. 2017. Pp. 180-183.https://doi.org/10.1109/UKRCON.2017.8100468
12. Drobakhin O. O., Plaksin S. V., Riabchii V. D., Saltykov D. Yu. Microwave Enginering and Semiconductor Electronics. 3rd ed. Dnipro: Dnipro National University, 2018. 344 pp. (In Ukrainian).
13. Pozar D. M. Microwave Engineering. 4th ed. US: John Wiley & Sons, Inc., 2011. 752 pp. |
| publisher |
текст 3 |
| publishDate |
2025 |
| url |
https://journal-itm.dp.ua/ojs/index.php/ITM_j1/article/view/113 |
| work_keys_str_mv |
AT drobakhinoo methodstocompensateestimatedphasedistortionsinmultiprobemicrowavemeters AT olevskyiov methodstocompensateestimatedphasedistortionsinmultiprobemicrowavemeters AT drobakhinoo metodikompensacííspotvorenʹocínokfaziubagatozondovihmíkrohvilʹovihvimírûvačah AT olevskyiov metodikompensacííspotvorenʹocínokfaziubagatozondovihmíkrohvilʹovihvimírûvačah |
| first_indexed |
2025-09-24T17:27:27Z |
| last_indexed |
2025-11-05T02:41:39Z |
| _version_ |
1850410587704524800 |
| spelling |
oai:ojs2.journal-itm.dp.ua:article-1132025-11-04T12:22:19Z METHODS TO COMPENSATE ESTIMATED PHASE DISTORTIONS IN MULTIPROBE MICROWAVE METERS МЕТОДИ КОМПЕНСАЦІЇ СПОТВОРЕНЬ ОЦІНОК ФАЗИ У БАГАТОЗОНДОВИХ МІКРОХВИЛЬОВИХ ВИМІРЮВАЧАХ DROBAKHIN, O. O. OLEVSKYI, O. V. parametric spectral analysis, parametric approach, Prony’s method, reflection coefficient, digital data processing, multiprobe measurements, vibration measurements, parameter estimation, inverse problems. параметричний спектральний аналіз, параметричний підхід, метод Проні, коефіцієнт відбиття, цифрова обробка даних, багатозондові вимірювання, вимірювання вібрацій, оцінка параметрів, обернені задачі. DOI: https://doi.org/10.15407/itm2025.02.072 This paper addresses the problem of the accuracy of contactless relative displacement measurement with the help of a multiprobe measuring line in the microwave range. Attention is given to measurement errors that arise from inaccuracies in the probe placement and probe spacing measurement and inaccuracies in oscillator frequency setting. These inaccuracies can be caused by excessive vibrations and temperature variations. The paper overviews two standard methods: the discrete Fourier transform method and the two-probe method. New approaches based on Prony’s method and the normalized propagation constant correction method are studied. Prony’s method approach uses a modified version of Prony’s method in order to reduce the required number of probes. The novel approach is based on approximating the signal model with the help of a linear approximation of the harmonic component with a shifted value of the normalized propagation constant. The former method significantly reduces the signal distortion, while the latter is sufficient for small distortions and shows a faster computational speed. The methods were first tested on a deterministic noiseless model with phase distortions due to errors in the propagation constant followed by testing them on a model both with propagation constant errors and with additive white Gaussian noise present. The tests gave empirical ranges of applicability of each of the methods including the standard ones based on their performance. For the proposed methods, these ranges are sufficient for real-world applications, and they mainly impose restrictions on the probe spacing measurement accuracy because the oscillator frequency accuracy provided by modern equipment lies well within them. The methods improve the relative displacement measurement accuracy for a waveguide system model subject to vibrations that affect the electrical probe spacing. REFERENCES 1. Doronin A. V., Gorev N. B., Kodzhespirova I. F., Privalov E. N. A way to improve the accuracy of displacement measurement by a two-probe implementation of microwave interferometry. Progress in Electromagnetics Research M. 2013. V. 30. Pp. 105-116.https://doi.org/10.2528/PIERM13020504 2. Ghannouchi F. M., Mohammadi A. The Six-Port Technique with Microwave and Wireless Applications. Artech House, 2009. 236 рp. 3. Pylypenko O. V., Gorev N. B., Doronin A. V., Kodzhespirova I. F. Phase ambiguity resolution in relative displacement measurement by microwave interferometry. Teh. Meh. 2017. No. 2. Pp. 3-11 4. Drobakhin O. O. Development of measurement methods in microwave and terahertz ranges of electromagnetic waves in Ukraine (Review). Radioelectronics and Communications Systems. 2024. V. 67. No. 4. Pp. 161-179.https://doi.org/10.3103/S0735272724040034 5. Andreev M. V., Drobakhin O.O., Saltykov D. Yu. Techniques of measuring reflectance in free space in the microwave range. 2016 9th International Kharkiv Symposium on Physics and Engineering of Microwaves, Millimeter and Submillimeter Waves (MSMW 2016). June 20-24 2016. Pp. 1-4.https://doi.org/10.1109/MSMW.2016.7538213 6. Ghannouchi F. M., Bosisio R. G. A wideband millimeter wave six-port reflectometer using four diode detectors calibrated without a power ratio standard. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. 1991. V. 40. No. 6. Pp. 1043-1046. https://doi.org/10.1109/19.119791 7. Doronin A. V., Gorev N. B., Kodzhespirova I. F., Privalov E. N. Displacement measurement using a two-probe implementation of microwave interferometry. Progress in Electromagnetics Research C. 2012. V. 32. Pp. 245-258.https://doi.org/10.2528/PIERC12071805 8. Pylypenko O. V., Gorev N. B., Doronin A. V., Kodzhespirova I. F. Experimental verification of a two-probe implementation of microwave interferometry for displacement measurement. Teh. Meh. 2017. No. 1. Pp. 5-12. 9. Andreev M. V., Drobakhin O. O., Saltykov D. Yu., Gorev N. B., Kodzhespirova I. F. Three-probe microwave interferometry for measuring displacement of mechanical objects with account for antenna reflectivity. Radioelectronics and Communications Systems. 2022. V. 65. No. 4. Pp. 177-185.https://doi.org/10.3103/S0735272722040021 10. Drobakhin O. O. Prony's-method identification of parameters of model which is sum of exponential functions. Optoelectronics, Instrumentation, and Data Processing. 1989. No. 4. Pp. 37-42. 11. Andreev M. V., Drobakhin O. O., Saltykov D. Yu. Complex reflection coefficient determination via digital spectral analysis of multiprobe reflectometer output signals. 2017 IEEE First Ukraine Conference on Electrical and Computer Engineering (UKRCON) Proceedings. 2017. Pp. 180-183.https://doi.org/10.1109/UKRCON.2017.8100468 12. Drobakhin O. O., Plaksin S. V., Riabchii V. D., Saltykov D. Yu. Microwave Enginering and Semiconductor Electronics. 3rd ed. Dnipro: Dnipro National University, 2018. 344 pp. (In Ukrainian). 13. Pozar D. M. Microwave Engineering. 4th ed. US: John Wiley & Sons, Inc., 2011. 752 pp. DOI: https://doi.org/10.15407/itm2025.02.072 В даній роботі розглядається питання точності безконтактного вимірювання відносних відстаней за допомогою багатозондової вимірювальної лінії в мікрохвильовому діапазоні. Основна увага надається похибкам вимірювання, що з’являються внаслідок неточності позиціонування зондів та вимірювання кроку між ними разом з неточністю налаштування частоти генератора. Дані неточності можуть з’являтись внаслідок надмірних вібрацій та температурних змін. В роботі подається огляд двох стандартних методів: методу дискретного перетворення Фур’є та двохзондового методу. Також досліджуються нові підходи на основі методу Проні та методу корекції нормованої сталої поширення. Підхід на основі методу Проні використовує модифікований варіант методу для зменшення необхідної кількості зондів. Оригінальний підхід базується на апроксимації моделі сигналу шляхом лінійної апроксимації гармонічної складової зі зсунутим значенням нормованої сталої поширення. Показано можливість значного придушення ефектів спотворення сигналу для методу Проні та достатність підвищення якості та кращу швидкість розрахунку для методу корекції нормованої сталої поширення. Всі методи були спочатку перевірені на детерміністичній моделі без шуму з фазовими спотвореннями внаслідок зсуву сталої поширення. Подальші тести проводяться для моделі, в якій наявні як похибка оцінки нормованої сталої поширення, так і білий адитивний гаусів шум. Проведені числові експерименти демонструють емпіричні границі застосовності для кожного з методів, зважаючи на їхню результативність. Показано, що дані границі є достатніми для застосувань в реальному експерименті. Показано, що дані границі в основному накладають обмеження на точність вимірювання кроку внаслідок того, що прийнятні межі похибки частоти генератора значно перевищують можливості сучасної техніки. Продемонстровано, що методи здатні покращувати оцінку відносної відстані для моделі хвилевідної системи, що піддається вібраціям, які впливають на міжзондову відстань. ПОСИЛАННЯ 1. Doronin A. V., Gorev N. B., Kodzhespirova I. F., Privalov E. N. A way to improve the accuracy of displacement measurement by a two-probe implementation of microwave interferometry. Progress in Electromagnetics Research M. 2013. Vol. 30. P. 105–116. https://doi.org/10.2528/PIERM13020504 2. Ghannouchi F. M., Mohammadi A. The Six-Port Technique with Microwave and Wireless Applications. Artech House, 2009. 236 р. 3. Pylypenko O. V., Gorev N. B., Doronin A. V., Kodzhespirova I. F. Phase ambiguity resolution in relative displacement measurement by microwave interferometry. Technical Mechanics. 2017. № 2. P. 3-11. 4. Drobakhin O. O. Development of measurement methods in microwave and terahertz ranges of electromagnetic waves in Ukraine (Review). Radioelectronics and Communications Systems. 2024. Vol. 67(4). P. 161–179. https://doi.org/10.3103/S0735272724040034 5. Andreev M. V., Drobakhin O.O., Saltykov D. Yu. Techniques of measuring reflectance in free space in the microwave range. 9th International Kharkiv Symposium on Physics and Engineering of Microwaves, Millimeter and Submillimeter Waves, MSMW 2016. 2016. June. P. 1-4. https://doi.org/10.1109/MSMW.2016.7538213 6. Ghannouchi F. M., Bosisio R. G. A wideband millimeter wave six-port reflectometer using four diode detectors calibrated without a power ratio standard. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. 1991. Vol. 40. № 6. P. 1043-1046. https://doi.org/10.1109/19.119791 7. Doronin A. V., Gorev N. B., Kodzhespirova I. F., Privalov E. N. Displacement measurement using a two-probe implementation of microwave interferometry. Progress in Electromagnetics Research C. 2012. Vol. 32. P. 245–258. https://doi.org/10.2528/PIERC12071805 8. Pylypenko O. V., Gorev N. B., Doronin A. V., Kodzhespirova I. F. Experimental verification of a two-probe implementation of microwave interferometry for displacement measurement. Technical Mechanics. 2017. № 1. P. 5-12. 9. Andreev M. V., Drobakhin O. O., Saltykov D. Yu., Gorev N. B., Kodzhespirova I. F. Three-probe microwave interferometry for measuring displacement of mechanical objects with account for antenna reflectivity. Radioelectronics and Communications Systems. 2022. Vol. 65. P. 177–185. https://doi.org/10.3103/S0735272722040021 10. Drobakhin O. O. Prony’s-method identification of parameters of model which is sum of exponential functions. Optoelectronics, instrumentation, and data processing. 1989. № 4. P. 37–42. 11. Andreev M. V., Drobakhin O. O., Saltykov D. Yu. Complex reflection coefficient determination via digital spectral analysis of multiprobe reflectometer output signals. 2017 IEEE First Ukraine Conference on Electrical and Computer Engineering (UKRCON). Proceedings. 2017. P. 180–183. https://doi.org/10.1109/UKRCON.2017.8100468 12. Дробахін О. О., Плаксін С. В., Рябчій В. Д., Салтиков Д. Ю. Техніка та напівпровідникова електроніка НВЧ, третє вид. Навчальний посібник. Дніпро: ДНУ, 2018. 344 c. 13. Pozar D. M. Microwave engineering – 4th ed. US: John Wiley & Sons, Inc., 2011. 752 p. текст 3 2025-06-24 Article Article application/pdf https://journal-itm.dp.ua/ojs/index.php/ITM_j1/article/view/113 Technical Mechanics; No. 2 (2025): Technical Mechanics; 72-86 Институт технической механики Национальной академии наук Украины и Государственного космического агентства Украины; № 2 (2025): Technical Mechanics; 72-86 ТЕХНІЧНА МЕХАНІКА; № 2 (2025): ТЕХНІЧНА МЕХАНІКА; 72-86 uk https://journal-itm.dp.ua/ojs/index.php/ITM_j1/article/view/113/44 Copyright (c) 2025 Technical Mechanics |