izmertechИзмерительная техникаIzmeritel`naya Tekhnika0368-10252949-5237ФГУП "ВНИИФТРИ"10.32446/0368-1025it.2020-8-51-58izmertech-1827Research ArticleРАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯRADIO MEASUREMENTSОценка точности реконструкции электрофизических и геометрических параметров многослойных диэлектрических покрытий многочастотным радиоволновым методом поверхностных медленных электромагнитных волнEvaluation of the accuracy of reconstruction of the electrophysical and geometric parameters of multilayer dielectric coatings by the multi-frequency radio wave method of a slow surface electromagnetic wavesКазьминА. И.Kaz'minA. I.

Воронеж

Aleksandr I. Kaz'min

Voronezh

alek-kazmin@yandex.ruФедюнинП. А.FedjuninP. A.

Воронеж

Pavel A. Fedjunin

Voronezh

fpa1@yandex.ruВоенный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия им. проф. Н. Е. Жуковского и Ю. А. Гагарина»РоссияMilitary Educational and Scientifi c Center of the Air Force “N. E. Zhukovsky and Y. A. Gagarin Air Force Academy”Russian Federation202014072023085158Copyright © Казьмин А.И., Федюнин П.А., 20232023Казьмин А.И., Федюнин П.А.Kaz'min A.I., Fedjunin P.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.izmt.ru/jour/article/view/1827

Рассмотрена одна из важнейших проблем диагностики многослойных диэлектрических материалов и покрытий – разработка методов количественной интерпретации результатов контроля электрофизических и геометрических параметров этих материалов. Представлены результаты исследования потенциальной информативности многочастотного радиоволнового метода поверхностных медленных электромагнитных волн при реконструкции электрофизических и геометрических параметров многослойных диэлектрических покрытий. Представлена имитационная модель, позволяющая оценить точность реконструкции электрофизических и геометрических параметров многослойных диэлектрических покрытий. В модели учитываются значения электрофизических и геометрических параметров покрытия, уровень шума в измерительных данных и ширина полосы частот измерений. Приведены результаты имитационного моделирования и экспериментальной проверки реконструкции относительных диэлектрических проницаемостей и толщин одно- и двухслойных разнотолщинных диэлектрических покрытий на основе полиметилметакрилата, фторопласта Ф-4Д, RO3010 при различных значениях среднего квадратического отклонения уровня шума в измеренных коэффициентах ослабления поля поверхностной медленной электромагнитной волны. Установлено, что точность реконструкции геометрических и электрофизических параметров слоёв уменьшается с увеличением числа оцениваемых параметров и уровня шума, а также с уменьшением диэлектрической проницаемости и толщины слоёв. Результаты экспериментальных исследований подтверждают адекватность разработанной имитационной модели. Представленная модель позволяет для конкретного измерительного комплекса, реализующего многочастотный радиоволновый метод поверхностных медленных электромагнитных волн, количественно оценить потенциально возможную точность реконструкции геометрических и электрофизических параметров многослойных диэлектрических материалов и покрытий. Согласно результатам имитационного моделирования и экспериментального исследования многослойного диэлектрического покрытия, при ширине полосы частот измерений 1 ГГц погрешности оценок диэлектрических проницаемостей и толщин слоёв составляют не более 10 % с доверительной вероятностью 0,95 при среднем квадратическом отклонении уровня шума 0,003–0,004.

One of the most important diagnostic problems multilayer dielectric materials and coatings is the development of methods for quantitative interpretation of the checkout results their electrophysical and geometric parameters. The results of a study of the potential informativeness of the multi-frequency radio wave method of surface electromagnetic waves during reconstruction of the electrophysical and geometric parameters of multilayer dielectric coatings are presented. The simulation model is presented that makes it possible to evaluate of the accuracy of reconstruction of the electrophysical and geometric parameters of multilayer dielectric coatings. The model takes into account the values of the electrophysical and geometric parameters of the coating, the noise level in the measurement data and the measurement bandwidth. The results of simulation and experimental investigations of reconstruction of the structure of relative permittivitties and thicknesses of single-layer and double-layer dielectric coatings with different thicknesses, with different values of the standard deviation (RMS) of the noise level in the measured attenuation coefficients of the surface slow electromagnetic wave are presented. Coatings based on the following materials were investigated: polymethyl methacrylate, F-4D PTFE, RO3010. The accuracy of reconstruction of the electrophysical parameters of the layers decreases with an increase in the number of evaluated parameters and an increase in the noise level. The accuracy of the estimates of the electrophysical parameters of the layers also decreases with a decrease in their relative permittivity and thickness. The results of experimental studies confirm the adequacy of the developed simulation model. The presented model allows for a specific measuring complex that implements the multi-frequency radio wave method of surface electromagnetic waves, to quantify the potential possibilities for the accuracy of reconstruction of the electrophysical and geometric parameters of multilayer dielectric materials and coatings. Experimental investigations and simulation results of a multilayer dielectric coating demonstrated the theoretical capabilities gained relative error permittivity and thickness of the individual layers with relative error not greater than 10 %, with a measurement bandwidth of 1 GHz and RMS of noise level 0,003–0,004.

многослойное диэлектрическое покрытиемногочастотный радиоволновый метод поверхностных медленных электромагнитных волнимитационная модельобратная задачакоэффициент ослабления поля поверхностной медленной электромагнитной волныдиэлектрическая проницаемость.multilayer dielectric coatingradio wave methodsimulation modelinverse problempermittivityattenuation coefficient of fieldslow surface electromagnetic wave.ReferencesАхметшин А. М., Славин В. И., Тихий В. Г., Платонов Е. Д. Идентификация слоистых диэлектрических структур методом параметрической оптимизации в многочастотной СВЧ интроскопии // Дефектоскопия. 1983. № 12. С. 57–65.Akhmetshin A. M., Slavin V. I., Tikhii V. G., Platonov E. D., Defektoskopiya, 1983, no. 12, pp. 57–65 (in Russian).Андреев М. В., Борулько В. Ф., Дробахин О. О. Применение концепции квазирешения для определения параметров слоистых диэлектрических структур по данным измерений характеристик отражения на многих частотах. Ч. I // Дефектоскопия. 1995. № 12. С. 41–50.Andreev M. V., Borul’ko V. F., Drobakhin O. O., Defektoskopiya, 1995, no. 12, pp. 41–50 (in Russian).Борулько В. Ф., Дробахин О. О., Славин И. В. Многочастотные СВЧ неразрушающие методы измерения параметров слоистых диэлектриков. Днепропетровск: Изд-во ДГУ, 1982. 120 с.Borul’ko V. F., Drobakhin O. O., Slavin I. V. Mnogochastotnye SVCh nerazrushayushchie metody izmereniya parametrov sloistykh dielektrikov, Dnepropetrovsk, Izdatelstvo DGU Publ., 1982, 120 p. (i n Russian).Mohamed Abou-Khousa, Zoughi R., IEEE Transactions on instrumentation and measurement, 2007, vol. 56, nо. 4, pp. 1107–1113. https:/doi.org/10.1098/rspa.2009.0664Mohamed Abou-Khousa, Zoughi R., IEEE Transactions on instrumentation and measurement, 2007, vol. 56, nо. 4, pp. 1107–1113. https:/doi.org/10.1098/rspa.2009.0664Mikhnev V. A., Nyfors E., Vainkainen P., IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 1997, vol. 45, nо. 9, pp. 1405–1410. https:/doi.org/10.1109/8.623130Mikhnev V. A., Nyfors E., Vainkainen P., IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 1997, vol. 45, nо. 9, pp. 1405–1410. https:/doi.org/10.1109/8.623130Казьмин А. И., Федюнин П. А. Восстановление структуры электрофизических параметров многослойных диэлектрических материалов и покрытий по частотной зависимости коэффициента ослабления поля поверхностной электромагнитной волны // Измерительная техника. 2019. № 9. С. 39–45. https:/doi.org/10.32446/0368-1025it.2019-9-39-45Kaz’min A. I., Fedyunin P. A., Measurement Techniques, 2019, vol. 62, pp. 809–816. https:/doi.org/10.1007/s11018-019-01699-7Пат. № 2594761 РФ / А. И. Казьмин, В. А. Манин, П. А. Федюнин, Д. П. Федюнин // Изобретения. Полезные модели. 2016. № 23.Kaz’min A. I., Manin V. A., Fedyunin P. A., Fedyunin D. P., RF Patent no. 259476, Bull. Izobret., no . 23 (2016).Федюнин П. А., Казьмин А. И., Манин В. А. СВЧ-способ дефектоскопии радиопоглощающих покрытий и устройство для его реализации // Контроль. Диагностика. 2017. № 11. С. 32–39. https:/doi.org/10.14489/td.2017.11.pp.032–039Fedyunin P. A., Kaz’min A. I., Manin V. A., Kontrol’. Diagnostika, 2017, no. 11, pp. 32–39 (in Russian). https:/doi.org/10.14489/td.2017.11.pp.032-039Гринев А. Ю., Темченко В. С., Багно Д. В. Радары подповерхностного зондирования. Мониторинг и диагностика сред и объектов. М.: Радиотехника, 2013. 391 с.Grinev A. Yu., Temchenko V. S., Bagno D. V. Radary podpoverhnostnogo zondirovaniya. Monitoring i diagnostika sred i ob”ektov, Moscow, Radiotechnika Publ., 2013, 391 p. (in Russian).Карпов И. Г. Аппроксимация экспериментальных распределений радиолокационных сигналов с использованием модернизированных распределений Пирсона // Радиотехника. № 5. 2003. С. 56–61.Karpov I. G., Radiotekhnika, 2003, no. 5, pp. 56–61 (in Russian).Ищук И. Н., Карпов И. Г., Фесенко А. И. Обнаружение скрытых подповерхностных объектов в инфракрасном диапазоне длин волн на основе идентификации их тепловых свойств // Измерительная техника. 2009. № 4. С. 36–39.Ischuk I. N., Karpov I. G., Fesenko A. I., Measurement Techniques, 2009, vol. 52, pp. 388–393. https:/doi.org/10.1007/s11018-009-9282-7Guido Valerio, David R. Jackson, Alessandro Galli, Proceedings of the Royal Society, 2010, vol. 466, pp. 2447–2469. https:/doi.org/10.1098/rspa.2009.0664Guido Valerio, David R. Jackson, Alessandro Galli, Proceedings of the Royal Society, 2010, vol. 466, pp. 2447–2469. https:/doi.org/10.1098/rspa.2009.0664Andreas Patrovsky, Ke Wu, Universal Journal of Electrical and Electronic Engineering, 2013, nо. 1 (3), pp. 87–93. https:/doi.org/10.13189/ujeee.2013.010305Andreas Patrovsky, Ke Wu, Universal Journal of Electrical and Electronic Engineering, 2013, nо. 1 (3), pp. 87–93. https:/doi.org/10.13189/ujeee.2013.010305Zhuozhu Chen, Zhongxiang Shen, Applied Sciences, 2018, nо. 8 (1), р. 102. https:/doi.org/10.3390/app8010102Zhuozhu Chen, Zhongxiang Shen, Applied Sciences, 2018, nо. 8 (1), р. 102. https:/doi.org/10.3390/app8010102Бреховских Л. М. Волны в слоистых средах. M.: Наука, 1973. 343 с.Brekhovskikh L. M., Volny v sloistykh sredakh, Moscow, Nauka Publ., 1973, 343 p. (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.