3840

помехи различий практически нет). При увеличении М относительная разность величин растет (рис. 1). В работе [3] авторами были представлены результаты эксперимента по проверке влияния гармонической помехи на прием сигнала смногопозиционными модуляциями 16АФМ, 16КАМ, 16ФМ. Результаты верификации для оценивания помехоустойчивости сигналов сведены в табл. 3.

Рис. 1. Вероятность зависимостей битовой ошибки от расстройки гармонической помехи для многопозиционных сигналов с М = 16 при Eb/N0 = 13 дБ, μ = 0,5

Таблица 3

Влияния гармонической помехи на прием сигнала с многопозиционными модуляциями

16АФМ, 16КАМ, 16ФМ

По результатам верификации получено:

1.Наибольшую устойчивость к воздействию гармонической помехи проявляют приемники сигналов М-КАМ, им незначительно уступают приемники сигналов М-АФМ, и значительно уступают приемники сигналов М-ФМ.

2.С увеличением позиционности сигналов (М > 8) помехоустойчивость приема всех исследованных сигналов на фоне гармонической помехи сильно снижается, даже при малых уровнях помехи.

3.Поражающее действие помехи наиболее сильно проявляется при ее попадании в главный лепесток спектра сигнала.

Основываясь на представленных выше результатах, в качестве основных сигналов ВСПД КА авторами были выбраны сигналы с М-АФМ. При этом, для совершенствования системы передачи и приема данных мониторинга окружающей среды был разработан приемо-передающий комплекс (ППК), представленный на рис. 2.

Рис. 2. Разработанный приемо-передающий комплекс

Модель передатчика предназначена для формирования, на основе генерируемого по заданному правилу потока данных, потока отсчетов, соответствующего радиосигналу. Модель канала предназначена для изменения потока отсчетов с выхода модели передатчика для имитации искажений и воздействия аддитивного белого гауссовского шума (АБГШ) [4- 6]. Модель приемника предназначена для восстановления потока данных на основе потока отсчетов на выходе модели канала, соответствующего радиосигналу. Поток генерируемых данных непосредственно выдается из модели передатчика в модель приемника для сравнения передаваемых и принимаемых данных для подсчета возникающих в канале ошибок [7, 8].

Далее рассмотрим подробнее каждый блок разработанного приемо-передающего комплекса. На рис. 3 представлена детализированная модель передатчика.

Рис. 3. Модель передатчика

В формирователе данных по заданному правилу генерируется поток данных. Например, на основе генератора псевдослучайных последовательностей (ПСП) и используемого протокола (заголовки, служебные поля, размеры полей). В кодере поток данных подвергается заданному помехоустойчивому кодированию. Чаще всего это блочный код, зачастую в отечественных ВСПД КА ДЗЗ это код LDPC (8160,7135). В рандомизаторе поток данных после кодирования перемножаются с ПСП, обеспечивающего нужное

161

количество переходов между «0» и «1» (здесь и далее под перемножением понимается операция исключающего ИЛИ, XOR). Формирователь символов на основе потока данных формирует поток отсчетов в соответствии с заданным сигнальным созвездием и передискретизацией. Поток отсчетов соответствует квадратурному модулирующему сигналу. Формирующий фильтр обеспечивает экономное расходование частотного ресурса. Обычно это цифровой КИХ-фильтр с характеристикой, имеющей вид «корень из приподнятого косинуса» (rootraisedcosine, RRC). Особенности фильтра RRC:

1.Уменьшает занимаемую полосу радиочастот.

2.Импульсная характеристика равна нулю для отсчетов соседних символов: межсимвольная интерференция за счет ограничения частоты отсутствует.

Блок сдвига частоты изменяет поток отсчетов аналогично влиянию разности опорных частот передатчика и приемника (до сотен килогерц), а также доплеровского смещения частоты (до сотен килогерц – единиц мегагерц).

Модель канала ППК показана на рис. 4.

Рис. 4. Модель канала

Назначение элементов модели канала характеризуется следующим образом: антенная решетка при больших углах сканирования вносит искажения аналогичные межсимвольной интерференции при многолучевом распространении. Имитатор антенной решетки работает в частотной области с использованием прямого и обратного БПФ (временные задержки между каналами меньше периода отсчетов). Имитатор неравномерности АЧХ и ФЧХ– это синтезируемые цифровые КИХ-фильтры. Блок АБГШ построен на основе встроенной функции, обеспечивает заданную условиями моделирования величину отношения сигналшум на входе модели приемника [9, 10].

Модель приемника ППК проиллюстрирована на рис. 5.

Рис. 5. Модель приемника

162

Обработка входного сигнала происходит поблочно.

Грубая компенсация сдвига частоты обеспечивается на основе свертки амплитудного спектра со знаковой функцией. Для положительных отстроек +1, для отрицательных отстроек -1.

Оценка частоты вычисляется как точка перехода результата свёртки через ноль из положительных значений в отрицательную область. Другими словами, возведение отсчетов в степень (умножение частоты) с БПФ и последующим поиском максимума спектра. Интерполятор используется при необходимости изменения частоты дискретизации отсчетов (параметра передискретизации). Формирующий фильтр аналогичен фильтру передатчика (согласован с ним). Система тактовой синхронизации обеспечивает компенсацию временной задержки для точного выделения отсчета, по которому принимается решение о принятом символе. После нее одному символу соответствует один отсчет (передискретизация равна 1).

Фазовая синхронизация компенсирует ошибку по фазе (своя для каждого символа после грубой компенсации сдвига частоты). Сигнал детектора интегрируется фильтром и компенсируется путем умножения на соответствующий корректирующий множитель. Сигнал с петлевого фильтра поступает на вход приемника, для того, чтобы не было скачка по фазе при обработке следующего блока.

Кадровая синхронизация обеспечивает определение поворота созвездия для обрабатываемого блока отсчетов (компенсацию неоднозначности по фазе) и определение границ блоков данных в соответствии с выбранным протоколом [11, 12].

Дерандомизатор аналогичен рандомизатору, что связано со свойствами логической функции исключающего ИЛИ, XOR. Декодер осуществляет снятие помехоустойчивого кодирования с коррекцией ошибок с мягким решением в соответствии с настройками (количество итераций) и восстановление исходного потока данных. Блок подсчета ошибок осуществляет сравнение передаваемого и восстановленного потока данных.

Таким образом, выбранная оптимальная модуляция сигналов ВСПД КА явилась инструментарием для разработки приёмо-передающего комплекса с перспективой совершенствования системы мониторинга окружающей среды.

Выводы.

В результате проведенного исследования можно сделать следующие выводы:

1.Изучены технические характеристики средств ДЗЗ.

2.Рассмотрены особенности высокоскоростного приема и передачи данных КА ДЗЗ.

3.Проведено оценивание помехоустойчивости применяемых сигналов и определена оптимальная модуляция по влиянию помехи.

4.Разработан приемо-передающий комплекс системы высокоскоростной передачи

данных КА ДЗЗ.

Отметим, что в настоящее время проводятся исследования по применению сигналов с многопозиционной частотной манипуляцией (М-ЧМ) как перспективной замены сигналов с М-АФМ.

Литература

1. Суровцева И. В., Калошин И. Б., Кузнецов В. В., Скрипачев В. О. Обработка гиперспектральных изображений в интересах экологического мониторинга Земли / XV Международная научно-техническая конференция «Оптические методы исследования потоков» ОМИП-2019, МЭИ, Москва (24-28 июня 2019). М.: Издательство «Перо», 2019. С. 290-301.

2.Гершензон В. Е., Кучейко А.А. Стандартизация оборудования станций приема данных ДЗЗ // Пространственные данные. 2006. № 1. 33 с.

3.Чигрин Д. Н., Куликов Г. В., Усманов Р. Р., Суровцева И. В., Лелюх А. А. Сравнительный анализ помехоустойчивости приема сигналов с многопозиционными видами

манипуляции в присутствии гармонической помехи // Сборник научных статей по

163

материалам IV Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы и перспективы развития радиотехнических и инфокоммуникационных систем» («Радиоинфоком-2019»), г. Москва, РТУ МИРЭА: сборник научных статей. М.: МИРЭА – Российский технологический университет, 2019. С. 45-53.

4. Чигрин Д. Н., Куликов Г. В., Суровцева И. В., Замуруев С. Н. Анализ помехоустойчивости в технологии беспроводной передачи и приема дискретных сигналов // Технологии и материалы для экстремальных условий: материалы XIV Всероссийской научной конференции, 16–20 сентября 2019 г., Агой / Межведомственный центр аналитических исследований в области физики, химии и биологии при Президиуме Российской академии наук; под общей редакцией акад. Б.Ф. Мясоедова. М.: МЦАИ РАН, 2019. С. 314-320.

5. Ложкин К. Ю., Стиценко А. И. Помехоустойчивость некогерентного и когерентного приема ДФРМ-сигнала в условиях воздействия фазоманипулированной, гармонической или гауссовской помех // Журнал Сибирского федерального университета. Серия: Техника и технологии. 2017. Т. 10. № 2. С. 260-270.

6.Куликов Г. В. Влияние гармонической помехи на помехоустойчивость корреляционного демодулятора сигналов МЧМ // Радиотехника. 2002. № 7. С. 42-44.

7.Кондратенко А. Е., Поддубный В. Н. Эффективность воздействия гармонической и гауссовской помех на линии многоканальной радиосвязи с синхронным нелинейным

кодовым уплотнением каналов // Радиотехника. 2009. № 6. / Радиосистемы. 2009. № 24. С. 52-56.

8. Куликов Г. В., Нгуен Ван Зунг, Нестеров А. В., Лелюх А. А. Помехоустойчивость приема сигналов с многопозиционной фазовой манипуляцией в присутствии гармонической помехи // Наукоемкие технологии. 2018. № 11. С. 32–38.

9. Куликов Г. В., Нестеров А. В., Лелюх А. А. Помехоустойчивость приема сигналов с квадратурной амплитудной манипуляцией в присутствии гармонической помехи // Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2018. № 11. Режим доступа: http://jre.cplire.ru/jre/nov18/9/text.pdf. DOI 10.30898/1684-1719.2018.11.9

10.Куликов Г. В. Помехоустойчивость приемников модулированных сигналов с непрерывной фазой при наличии нефлуктуационных помех // Радиотехника. 2003. № 7. С. 21-25.

11.Куликов Г. В. Помехоустойчивость автокорреляционного демодулятора сигналов МЧМ в канале связи с гармонической помехой // Радиотехника. 2004. № 8. С. 20-22.

12.Перов А. И. Синтез оптимального алгоритма обработки сигналов в приемнике спутниковой навигации при воздействии гармонической помехи // Радиотехника. 2005. № 7. /

Радиосистемы. 2005. № 10. С. 37-42.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «МИРЭА – Российский технологический университет», Москва, Россия

D.N. Chigrin1, I.V. Surovceva1

IMPROVING THE SYSTEM FOR TRANSMITTING AND RECEIVING

ENVIRONMENTAL MONITORING DATA

The article substantiates the need to obtain operational information about environmental changes by means of data from Earth remote sensing spacecraft (remote sensing spacecraft). The technical characteristics of on-board remote sensing radio transmitters are considered. The features of high-speed data reception and transmission of remote sensing spacecraft are presented. The noise immunity of the signals was evaluated and the optimal modulation was determined by the interference effect. The receiving and transmitting complex of the high-speed data transmission system of the remote sensing spacecraft has been developed.

Keywords: Earth remote sensing (ERS), environmental monitoring, high-speed data transmission, multi-position, multipath, noise immunity, comparative analysis, modulation, shift keying, and harmonic interference.

Federal State Budget Educational Institution of Higher Education «MIREA – Russian

Technological University», Moscow, Russia

164

СЕКЦИЯ 3

ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭКОЛОГИЯ И ХИМИЯ, ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД И ГАЗОВЫХ ВЫБРОСОВ. МАЛООТХОДНЫЕ И БЕЗОТХОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА.

КОНТРОЛЬ, ДИАГНОСТИКА КАЧЕСТВА И БЕЗОПАСНОСТИ МАТЕРИАЛОВ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ, ПРОМЫШЛЕННОСТИ, ЭНЕРГЕТИКЕ

165

УДК 661.183.2; 66.081.32

А.С. Атанова, И.С. Глушанкова

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ УГЛЕРОДНЫХ СОРБЕНТОВ С ОДНОРОДНОЙ МИКРОПОРИСТОЙ СТРУКТУРОЙ НА ОСНОВЕ ОТХОДОВ ТЕКСТОЛИТА

Представлены результаты исследований утилизации отходов текстолита с получением эффективных углеродных сорбентов – активных углей. Способ получения включает карбонизацию при температуре 600 ̊С и последующую активацию гидроксидом калия с уровнем нагрева 800-850 ̊С со скоростью нагрева 10 град в минуту и последующей выдержкой 30-60 мин. Определены основные физико–химические, сорбционные показатели и параметры пористой структуры. Сорбционная емкость по йоду составляет 870-960 мг/г, средний радиус пор 0,488-0,573 нм, площадь поверхности микропор 919-972 м2/г. Установлена высокая эффективность извлечения молекул фенола в статическом режиме в диапазоне концентраций 10-100 мг/дм3 - не менее 99 %.

Ключевые слова: отходы текстолита, карбонизация, активация гидроксидом калия, микропористые активные угли, адсорбционная активность по йоду, статическая емкость по фенолу.

Введение В последние десятилетия наблюдается устойчивый прирост производства и

потребления полимерных композиционных ингредиентов, включающих фенолформальдегидные смолы (ФФС) и изделий на их основе, что неизбежно приводит к увеличению образующихся отходов. Общий объем производства в последние годы только на территории Европейских стран достиг более 1000 т/год [1].

Фенолформальдегидные смолы находят широкое применение в качестве связующего компонента для производства композиционных синтетических материалов (древесностружечные плиты, волокнистые плиты, текстолит) с различными наполнителями.

Неизбежный рост образования отходов ведет к поиску новых эффективных экономически оправданных технологий утилизации. Решение представленной проблемы становится все более актуальной задачей, как с позиций защиты окружающей среды, так и в связи с увеличивающимся дефицитом первичного полимерного сырья (природного газа, нефти). Кроме того, переработка и утилизация представляют собой затруднительный природоохранный регламент и технико-технологический аспект.

Обследование источников библиографии зафиксировало, конверсия многотонных высокомолекулярных соединений на базе ФФС термическим методом, включает карбонизацию и активацию и является одним из перспективных технологий утилизации. В результате термической переработки на первой стадии образуется углеродистый остаток черного цвета – карбонизат, который при дополнительной обработке реагентами как вариант допускается практиковать в формате

углеродных сорбентов – активных углей (АУ).

Инновационные техника и приемы в выработке технологических маршрутов, усовершенствование функционирующих изготовлений продукции на базе воззрения ресурсосберегающей координации обуславливают наращивание рекламаций к добротности очищения и к дополнительному очищению сточных вод и выплесков градиентов в газовой фазе в воздушный бассейн.

Вэтой связи техническое оснащение сбережения окружающей природы усиливается употреблением методов и процедур на базе физико-химического поглощения, создающих условия реализации регламентных предписаний.

Впромышленной практике очистки сточных и природных вод широко используются сорбенты, полученные из природного сырья: каменного угля, древесины, цеолита и другие ингредиенты, однако в связи с истощением ресурсов и возрастанием стоимости первичного сырья, особый интерес вызывают материалы, утратившие потребительские заданные свойства.

166

Впоследнее время уделяется значительное внимание вопросам, которые связаны с синтезом углеродных сорбентов – активных углей (АУ) на основе полимерных отходов. Например, получены АУ на основе полиэтилентерефталата, поликарбоната полипропилена, поливинилхлорида резиновой крошки и др. много тоннажных отходов [2-4].

Известны методы получения высокопрочных микропористых сорбентов на основе фенолформальдегидных смол, в том числе отходов текстолита. Углеродные сорбенты обладают высокой прочностью гранул, имеют низкое содержание золы 1-3 % и развитую микро - и мезопористую структуру [5].

Внастоящей работе объектом для исследований выбран отработанный полимерный материал – текстолит, который является разновидностью комбинированных материалов, содержащий уплотненную прессованную хлопчатобумажную материю и ФФС.

Известно, что при получении активированных углей на основе полимерных отходов их свойства можно регулировать выбором соответствующего прекурсора, температурного режима карбонизации, метода активации (добавлением различных активирующих агентов, варьированием длительности и скорости нагрева печи и требуемых условий проведения процесса).

С целью избрания наиболее соответствующей процедуры конверсии остатков текстолита с извлечением углеродных сорбентов осуществлено обследование источников библиографии инженерно-научного и изобретательского профиля по синтезу АУ из остатков на базе ФФС, в том числе и текстолита.

Известен способ получения АУ [6] методом физической активации из текстолита. Сатурацию реализуют с быстротой прогревания 5-10 °C/час со степенью нагретости

450-500 °C c фоном на базе CO2 – это 1-ая стадия.

На 2-ой стадии обогащения C, так называемая процедура «обезлетучивание» -

подъем степени нагрева текстолита порядка 720-760 °C с дальнейшей активацией H2O в фазе пара, в массовой корреляции C: H2O = 1:7-10.

Процедура преобразования сложного органического соединения, включающего ряд ингредиентов, в процессе термической деструкции, нарушает цельность кристаллитов.

Впрочем, реально отметить, что если степень нагретости будет меньше 720 °C, то в формируемом АУ фиксируется значительный остаток летучих ингредиентов порядка 4-8 мас. %. Данное положение свидетельствует о дезорганизации развития объема микропор в угле во время активации.

Рекомендованная процедура предоставляет возможность производить компоненты с высокой поглотительной способностью на базе C применительно к реагентам

низкомолекулярного типа, например, дихлорметан CH2Cl2, хлорэтан C2H5Cl, метанол

CH3OH, пропан-2-он C3H6O.

Авторами [7] разработан способ получения углеродного сорбента (RU 2221745), включающий карбонизацию текстолита в промежутке степени нагретости 140-600 °C, и быстротой прогревания обогревателя 20-40 °C/ч. В прописанном термическом режиме

экспозиция реализуется 1-3 часа. Далее карбонизат остуживают и активируют H2O (пар). Кумулятивный объем пор насчитывает 0,60-1,20 см3/г.

Способ позволяет получать прочные низкозольные АУ, обеспечивающие высокую сорбционную емкость по радиоактивному йоду, молекулам фенола и других трудноудаляемых компонентов в водных средах. Недостатком предлагаемой процедуры

обозначается значительное число стадий, невысокая быстрота прогревания в период карбонизации. Термическая обработка идет не менее 1,5-3 часов, снижающая энергоэффективность процесса получения сорбента, что увеличивает конечную стоимость продукта.

В работе [8] представлен способ получения АУ на основе отходов производства текстолита и фурфурола. Технология извлечения АУ воплощалась в сатурации остатков

167

полимеров в печи в условиях подъема степени нагрева порядка 5-8 °С/мин до 450 °С. Далее экспозиция не менее 30-40 минут.

Недостатком метода является необходимость дополнительной грануляции, для этого авторами предложено проведение формования сополимера фурфурола и эпоксидной смолы (2-3 %). Размер гранул после отверждения - 0,5-2,5 мм.

Активацию кристаллитов реализовывали во вращающейся печи сочетанием H2O (пар) и CO2 в массовой корреляции 3:1 в диапазоне 850-900 °С. В довершении к изложенному маршруту карбонизации, необходимо отметить, что набирается величина обгара полимера максимально 50 %.

Кумулятивная пористость в обследованных адсорбентах порядка 0,85-1,00 см3/г. Целью данной работы являлся синтез углеродных сорбентов – активных углей,

обладающих однородной микропористой структурой из отходов текстолита термическим методом карбонизации и последующей химической активации карбонизата гидроксидом калия.

Экспериментальная часть.

В качестве исходного сырья были выбраны электроизоляционные листы текстолита (марки Б). Измельченные отходы до фракции 1-5 мм карбонизовали в стационарной лабораторной печи муфельного типа в атмосфере диоксида углерода до температуры 600 °C со скоростью 10 град в минуту, время экспозиции 30, 45 и 60 минут.

По окончанию остуживания взвешивали навеску массой 10±0,1 г карбонизированного препарата. Далее его перемешивали с КОН в твердофазном состоянии, варьируя массовую корреляцию текстолит: КОН = 1:0,5; 1:1; 1:2.

Сочетание ингредиентов активировали согласно термическим режимам: степень

температуры. Далее реализовывалась отмывка в дистиллированной H2O и/или раствором H2SO4 до рН = 7 ради устранения остатков КОН. Финишная процедура – это окончательное досушивание до константной массы образцов.

Суммарную пористость исследуемых образцов АУ определяли по стандартным методикам. Величину влагоемкости определяли согласно ГОСТ 17219-71, адсорбционную активность по йоду - ГОСТ 6217-74.

Диагностирование показателей пористой структуры АУ (объемы микро-, мезопор, средний радиус пор, площадь поверхности микропор и другие характеристики) проводили с использованием сорбтометра NOVA 4200e по построенным изотермам адсорбции азота при 77 К.

Основные результаты физико-химических, адсорбционных свойств и метрических показателей пористости, обследуемых экземпляров АУ, проиллюстрированы в табл. 1.

В процессе активации карбонизованных образцов отходов текстолита формируются высокопрочные гранулы размером 3-5 мм. Достоинством метода является отсутствие необходимости в дополнительной грануляции, что значительно упрощает технологию получения сорбентов.

Высокие значения сорбционной емкости по йоду свидетельствуют о развитой микропористой структуре в исследуемых образцах активных углей, предельный объем адсорбционного пространства практически полностью заполнен микропорами, низкие показатели осветляющей способности по МГ – индикатора мезопористой структуры в углеродных сорбентах подтверждают предположение об однородной микропористостой структуре.

168

Таблица 1

Характеристика АУ, полученных активацией с КОН карбонизатов на основе отходов текстолита марки Б

Параметры пористой структуры сопоставимы с известными промышленными марками АУ, которые широко используются в практике очистки сточных вод.

Высокую эффективность активации KOH можно объяснить интеркалирующим эффектом введенного реагента, размер иона калия составляет 0,133 нм.

169