Сверхширокополосная электродинамика реконструкции параметров подповерхностных сред Темченко, Владимир Степанович

Содержание к диссертации

Введение

1. Аналитический обзор методов реконструкции параметров плоскослоистых сред 25

1.1. Введение 25

1.2. Эвристические подходы диагностики плоскослоистых сред

1.2.1. Метод средней точки 29

1.2.2. Метод поверхностного отражения 38

1.2.3. Алгоритм инверсии при последовательном демонтаже слоев 41

1.3. Алгоритмы диагностики на основе электродинамического моделирования 44

1.3.1. Электромагнитная инверсия 44

1.3.2. Метод вычислительной диагностики - разложение по плоским волнам 46

1.3.3. Метод вычислительной диагностики — виртуальный источник 46

1.3.4. Метод вычислительной диагностики — виртуальный комплексный источник .48

1.3.5. Метод вычислительной диагностики - дипольное моделирование 48

Выводы 49

2. Пространственно-временные и пространственно частотные характеристики антенн, возбуждаемых сверхширокополосными сигналами 52

2.1. Пространственно-временная векторная импульсная характеристика антенны 53

2.1.1. Векторная импульсная характеристика антенны в дальней зоне 55

2.1.2. Скалярная пространственно-временная импульсная характеристика антенны с плоской апертурой 55

2.2.Пространственно-временная векторная импульсная характеристика антенны с произвольным распределением эквивалентного тока 59

2.3. Пространственно-временная импульсная характеристика плоской антенной решетки 61

2.4. Векторная импульсная и передаточная характеристики Т- рупорной антенны.

2.4.1. Векторная импульсная характеристика Т-рупорной антенны. Ближняя зона...65

2.4.2. Векторная импульсная характеристика Т-рупорной антенны. Дальняя зона... 66

2.5. Векторная передаточная характеристика Т - рупорной антенны. Аппроксимация

пространственно-частотным спектром плоских Е- и Н-волн з

Выводы 73

3. Принципы реконструкции электрофизических и геометрических параметров плоскослоистых сред, зондируемых сверхширокополосными короткоимпульсными сигналами ... 75

3.1. Электродинамические основы реконструкции электрофизических и геометрических параметров диэлектрических объектов. Выбор модели подповерхностной среды 76

3.1.1. Выбор модели подповерхностной среды. Дисперсия среды 79

3.2. Постановка задачи реконструкции плоскослоистых сред. Метод вычислительной диагностики 81

3.3. Решение прямой задачи при использовании метода вычислительной диагностики 83

3.4. Методы глобальной оптимизации 84

3.5. Алгоритмы глобальной оптимизации функционала сравнения в методе вычислительной диагностики 86

3.6. Генетический алгоритм 86

3.7. Алгоритм роя пчел 87

3.8. Сравнение генетического алгоритма и алгоритма роя пчел 88

3.9. Тестирование алгоритмов глобальной оптимизации на примере восстановления геометрических и электрофизических параметров плоскослоистой среды 3.9.1. Восстановление параметров трехслойной плоскослоистой среды 90

3.9.2. Восстановление параметров четырехслойной плоскослоистой среды 93

ЗЛО. Восстановление параметров элементарных электрических диполей по известным

характеристикам излучаемого поля на основе генетического алгоритма 96

Выводы 99

4. Метод вычислительной диагностики - разложение по плоским волнам 101

4.1. Определение пространственно-временной и пространственно-частотной векторной импульсной характеристик антенны 101

4.1.1. Импульсная и передаточная характеристики приёмо-передающей антенны и радиочастотного тракта РПЗ 103

4.2. Представление поля антенны в виде разложения по плоским волнам и связь с векторной импульсной характеристикой антенны 106

4.2.1. Формализация задачи зондирования плоскослоистой среды. Регистрация отраженного поля 111

4.2.2. Аппроксимация непрерывного пространственно-частотного спектра волн,рассеянных плоско слоистой средой 113

4.3. Моделирование поля излучения конечным числом плоских Е- и Н-волн 115

4.4. Моделирование передаточной функции плоскослоистой среды, зондируемой СШП Т- рупорной антенной. Метод КРВО и разложение по плоским волнам 121

Выводы 126

5. Метод вычислительной диагностики - виртуальный комплексный источник 128

5.1. Полевые характеристики элементарного электрического и элементарного

магнитного диполей в режиме передачи. Регистрация полей в режиме приема 130

5.2. Скалярная функция Грина комплексного точечного источника 132

5.2.2. Характеристики комплексных элементарных диполей в режиме передачи

и приема 133

5.3. Моделирование Т-рупорной антенны РПЗ на основе метода комплексного

виртуального источника. Решение прямой задачи 134

5.3.1. Моделирование Т-рупорной антенны РПЗ обычным виртуальным источником. Метод калибровки 135

5.3.2. Представление ЭМ поля излучения комплексного ЭЭД (ЭМД) по плоским Е и Н-волнам 138 .

5.3.3. Аппроксимация скалярной функции Грина комплексного точечного источника ограниченным числом плоских волн 141

5.3.4. Аппроксимация поля излучения комплексного ЭЭД ограниченным числом плоских волн 1 5.4. Определение отраженного ЭМ поля при возбуждении плоскослоистой среды полем горизонтального комплексного ЭЭД (ЭМД) в виде плоских Е- и Н- волн 148

5.5. Моделирование Т-рупорной антенны РПЗ виртуальным комплексным источником на основе метода калибровки 150

5.5.1. Результаты моделирование Т-рупорной антенны РПЗ виртуальным комплексным источником 152

5.6. Интегральные представления излучаемого и рассеянного полей ЭЭД, расположенного над слоистой средой 155

5.7. Моделирование полей излучения и рассеяния ЭЭД, расположенного над слоистой среды. Метод КРВО 157

5.7.1. Реконструкция параметров плоскослоистых сред при моделировании методом КРВО 159 Выводы 162

6. Метод вычислительной диагностики - дипольное моделирование 165

6.1. Диполыгое моделирование характеристик приемопередающей Т-рупорной антенны РПЗ. Решение прямой задачи 165

6.1.1. Моделирование поля излучения Т-рупорной антенны эквивалентными диполями на основе метода КРВО 166

6.1.2. Дипольное моделирование широкополосных антенн. Постановка задачи

6.1.3. Дипольное моделирование Т-рупорной антенны на основе измерений в ближней зоне 172

6.1.4. Результаты дипольного моделирования Т-рупорной антенны радара подповерхностного зондирования 174

6.2. Дипольное моделирование Т-рупорной антенны на основе метода калибровки 177

6.3. Интегральное представление электромагнитных полей излучения и отражения горизонтального ЭЭД, расположенного над слоистой средой 182

6.4. Определение функции Грина плоскослоистой среды на основе численного интегрирования в плоскости комплексных углов. Выбор оптимального пути интегрирования: 184

6.4.1. Прямой путь интегрирования в плоскости комплексных углов 185

6.4.2. Двухуровневая аппроксимация при традиционном пути интегрирования- в плоскости комплексных углов 186

6.4.3. Выбор оптимального пути интегрирования в плоскости комплексных углов 187

6.5. Результаты моделирование Т-рупорной антенны РПЗ эквивалентными диполями 190

Выводы 194

7. Экспериментальные исследования восстановления электрофизических и геометрических параметров плоскослоистых сред с помощью многоканального радара подповерхностного зондирования с сшп короткоимпульсным сигналом . 197

7.1. Описание многоканальных радаров подповерхностного зондирования с СШП

короткоимпульсным сигналом 198

7.1.1. Принцип действия многоканальных РПЗ 199

7.1.2. Устройство многоканального РПЗ

7.3. Программное обеспечение многоканального радара подповерхностного

зондирования 208

7.3.1 Структура комплекса прикладных программ «ComDia» 209

7.3.2. Основные операции, реализованные в программе «Multilmage» 210

7.3.2.1. Особенности реализации программы «Multilmage» 211

7.3.3. Реализация генетического алгоритма 214

7.3.4 Главное окно программы «Multilmage» 216

7.3.5 Вычитание фоновых отражений 218

7.3.6 Формирование радиоизображений 219

7.3.7 Просмотр трехмерных радиоизображений 221

7.4. Измерение характеристик сверхширокополосных антенн РПЗ во временной области 222

7.4.1. Определение пространственно-временной и пространственно-частотной характеристик антенны 223

7.4.2. Метрологическое обеспечение экспериментальных исследований и измерение олевых характеристик антенные ближней и дальней зоне 225

7.4.3 Результаты экспериментальных исследований Т-рупорной антенны РПЗ 230

7.5. Процедуры калибровки тракта и измерение параметров приемо-передающей антенны. Экспериментальные исследования 233

7.5.1. Условия проведения эксперимента 233

7.5.2. Процедуры калибровки 235

7.5. Результаты экспериментальных исследований реконструкции параметров подповерхностных сред радаром подповерхностного зондирования 241

Выводы 247

Заключение 250

Список используемых источников

• Алгоритмы диагностики на основе электродинамического моделирования
• Скалярная пространственно-временная импульсная характеристика антенны с плоской апертурой
• Постановка задачи реконструкции плоскослоистых сред. Метод вычислительной диагностики
• Аппроксимация непрерывного пространственно-частотного спектра волн,рассеянных плоско слоистой средой

Введение к работе

Актуальность работы. Диагностика подповерхностных сред (дорожных покрытий, взлётно-посадочных полос, мостов и других родственных объектов), зондируемых сверхширокополосными сигналами, и последующая реконструкция их электрофизических параметров относится к классу обратных задач с достаточно высоким объёмом априорной информации. Такая информация может быть получена из соответствующей строительной и технологической документации. Диагностика таких объектов сводится к определению толщины слоев и электрофизических параметров (абсолютные диэлектрическая и магнитная проницаемости, проводимость) и последующей их связью с параметрами материалов и технологией выполнения строительных работ. Другая родственная задача диагностики, решаемая на основе реконструкции ее электрофизических параметров, связана с определением водного содержания в структуре подповерхностной среды.

Для диагностики таких сред используются радары подповерхностного зондирования (РПЗ) [1-4]. Существенной спецификой РПЗ является использование сверхширокополосных (СШП) короткоимпульсных сигналов (КИ), (сигналов со ступенчатым изменением частоты, линейной частотной модуляцией и других). К СШП, согласно [5], относятся сигналы, обладающие хотя бы одним из следующих свойств:

- разность (f_B - f_H ) между верхней f_B и нижней f_H частотами, определяемые по уровню - 10 дБ относительно максимального значения спектра, не менее 500 МГц;

-относительная ширина спектра (f_B - f_H) (по уровню -10 дБ) к средней частоте спектра (f_B + f_H )/2 не менее 0,2.

Радары подповерхностного зондирования, разрабатываемые на основе традиционных программных и аппаратных технологий отечественными и зарубежными фирмами: GSSI и Penetradar (США), ERA Technology и Redifon (Англия), Sensor and Software (Канада), NTT (Япония), MALA (Швеция), Radar Company (Латвия), НТП Тензор (Россия), ООО «Логические системы» (Россия) и др., не в состоянии решать многие важные народнохозяйственные задачи. В частности, при мониторинге дорожных покрытий (дорожной одежды), взлётно-посадочных полос и т.п. погрешность определения толщины слоёв достигает 15 - 20 %, а электрофизических параметров в 20 - 30 %, что не позволяет судить о качестве выполненных строительных работ и наличии аномалий; затруднена сама идентификация аномалий - пустоты или заполненные водой и т.п.

Проблеме диагностики плоскослоистых сред посвящено достаточно много работ. Большинство из них опираются на эвристические подходы, в частности: метод средней точки [7], метод поверхностного отражения и алгоритм инверсии при последовательном демонтаже слоев, алгоритмы, основанные на полюсной модели среды, а также алгоритмы «сверхразрешения».

В большинстве указанных методов используют лучевую трактовку распространения и френелевские формулы, использование такого приближения приводит к существенным погрешностям при реконструкции многослойных сред. Это обусловлено тем, что только часть данных, регистрируемых РПЗ, используются при обработке, а лучевые модели распространения электромагнитной волны, применяемых в них, не учитывают истинную структуру зондирующего поля, особенности распространения и непригодны для многослойных и «тонких» слоев структуры [6].

Чтобы полнее использовать информационную емкость регистрируемых РПЗ данных, необходимо осуществить полное электродинамическое моделирование процессов зондирования, распространения и рассеивания средой ЭМ-поля с учетом характеристик приемопередающей антенны и тракта РПЗ и на последнем этапе реализовать инверсию регистрируемых данных. Поэтому в настоящее время развиваются электродинамические методы, учитывающие особенности зондирования, распространения, отражения и приема СШП сигнала для реконструкции электрофизических и геометрических параметров многослойных сред.

Актуальность работы обусловлена необходимостью существенно повысить достоверность диагностики параметров подповерхностных плоскослоистых сред (дорожных покрытий, взлётно-посадочных полос, мостов и родственных объектов), увеличить в несколько раз оперативность мониторинга (за счет многоканальности), исключить трудоёмкие инвазивные процедуры контрольного бурения, сократить расходы на эксплуатацию, создать устойчивую ежегодно обновляемую базу данных параметров таких объектов.

Разработанные в диссертации методы реконструкции параметров подповерхностных сред, в частности, дорожных покрытий, реализующие их алгоритмы и программное обеспечение предназначены для использования в многоканальных РПЗ [3]. При известных (измеренных) параметрах подповерхностной среды многоканальные РПЗ позволяют, как приобрести новые функциональные возможности, так и улучшить характеристики, а именно:

существенно сократить время мониторинга за счет многоканального режима работы;

формировать в реальном масштабе времени 3D радиоизображение подповерхностной области с более высоким качеством по сравнению со стратегией комплексирования В- изображений;

увеличить вероятность обнаружения и идентификации линейно протяжённых объектов (труб, кабелей) в силу формирования специфической радарограммы;

Целью работы является развитие теории, разработка методов сверхширокополосной электродинамики реконструкции электрофизических и геометрических параметров подповерхностных плоскослоистых сред, зондируемых СШП КИ сигналами, на основе связи формы отраженного сигнала с параметрами среды, для решения задачи повышения достоверности диагностики подповерхностных сред (дорожных покрытий, взлетно- посадочных полос аэродромов и других родственных объектов).

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие основные задачи:

1. 1. Разработаны принципы реконструкции электрофизических и геометрических параметров плоскослоистых сред (дорожных покрытий), на основе связи ее параметров с передаточной характеристикой среды, включающие, метод вычислительной диагностики (МВД), для решения обратной задачи, интегральные представления электромагнитных зондирующих и рассеянных полей и алгоритмы для решения прямой задачи, методы глобальной оптимизации для минимизации невыпуклой многопараметрической целевой функции, процедуры калибровки аппаратной части измерителя, обеспечивающие достоверность диагностики сред.

   2. Разработана методология реконструкции геометрических и электрофизических параметров подповерхностных сред, зондируемых сверхширокополосными короткоимпульсными сигналами, на основе предложенных взаимно дополняющих методов: МВД - разложения по плоским волнам, МВД - виртуального комплексного источника и МВД - дипольного моделирования, позволяющих эффективно решать многопараметрическую обратную задачу и обеспечивающих повышение точности восстановления параметров сред в 2 ^ 2,5 раза по сравнению с традиционными методами диагностики.

   3. Развита теория электродинамики (нестационарной) в части определения пространственно-временных и пространственно-частотных характеристик антенн, возбуждаемых СШП КИ сигналами. Определена векторная импульсная характеристика антенны с произвольным пространственно-временным распределением эквивалентных токов ее апертуре в ближней и в дальней зоне. Определена передаточная функция апертурной антенны в виде конечного числа плоских Е- и Н-волн.

   4. Разработаны электродинамические модели приёмо-передающей СШП антенны различной архитектуры, параметры которых определены на основе данных измерения в ближней зоне антенны или на основе метода калибровки. Определены параметры базовой модели, учитывающие пространственно-временные и пространственно-частотные характеристики антенны и обеспечивающие наряду с точностью эффективное решение прямой задачи в МВД.

   5. Разработано метрологическое обеспечение для экспериментальных исследований пространственно-временных и пространственно-частотных характеристик СШП антенн, включая разработку малоразмерных широкополосных зондов и процедуры специальной калибровки для компенсации нестабильности сигнала генератора и устранения переотражений в тракте радара подповерхностного зондирования (РПЗ).

   6. Разработано для многоканальных радаров подповерхностного зондирования программное обеспечение, входящее в единый комплекс прикладных программ, существенно сокращающее время мониторинга, реализующее сбор информации и управление РПЗ, процедуры калибровки его аппаратной части, диагностику плоскослоистых сред и последующее формирование радиоизображений подповерхностных объектов.

   7. . В рамках НИР «Водолей» (госконтракт № 05/243, 2005 - 2007 гг. с в/ч 43753) и ОКР «Водолей-Э1» (госконтракт № 08/49, 2008 - 2010 гг. с в/ч 43753) на полигоне МАИ проведены комплексные экспериментальные исследования по реконструкции геометрических и электрофизических параметров подповерхностных плоскослоистых сред (дорожных покрытий) и формированию радиоизображений подповерхностных объектов, основанные на разработанных методах реконструкции и программном обеспечении для многоцелевого многоканального сверхширокополосного радара подповерхностного зондирования, подтвердившие заложенные принципы и технологии.

   Основные положения, выносимые на защиту:

   1. 7. 1. Разработанные принципы реконструкции электрофизических и геометрических параметров подповерхностных сред, основанные на связи ее параметров с сигнатурой (передаточной характеристикой) среды, включающие, метод вычислительной диагностики (МВД) для решения обратной задачи, интегральные представления электромагнитных зондирующих и рассеянных полей и алгоритмы для решения прямой задачи, методы глобальной оптимизации для минимизации невыпуклой многопараметрической целевой функции, процедуры калибровки аппаратной части измерителя, обеспечивают повышение достоверности диагностики сред.

         2. Предложенная и разработанная методология реконструкции геометрических и электрофизических параметров подповерхностных сред, зондируемых сверхширокополосными короткоимпульсными сигналами, представляющая совокупность взаимно дополняющих методов: МВД - разложения по плоским волнам, МВД - виртуального комплексного источника и МВД - дипольного моделирования, позволяет эффективно решать многопараметрическую обратную задачу и обеспечивает повышение точности восстановления параметров сред.

         3. Разработанные электродинамические модели приёмо-передающих СШП антенн различной архитектуры и предложенная методика определения их пространственно- временных и пространственно-частотных характеристик, позволяют эффективно и более точно решать прямую задачу при реконструкции параметров подповерхностных сред.

         4. Экспериментальные исследования, проведенные с помощью многоцелевого многоканального сверхширокополосного радара подповерхностного зондирования, основанные на разработанных методах реконструкции и программном обеспечении, при существенном сокращении времени мониторинга в 2-3 раза, подтвердили заложенные принципы и технологии, что позволило уменьшить погрешность определения геометрических и электрофизических параметров плоскослоистых сред до значений 8 ^ 10%.

         Методы исследований. Для решения поставленных задач используются: - метод интегральных уравнений для постановки задачи восстановления электрофизических и геометрических параметров;

         метод конечных разностей во временной области и представления функции Грина комплексного источника в виде суперпозиции элементарных плоских E- и H-волн для решения прямой задачи;

         метод численного интегрирования функции Грина плоскослоистых сред на основе выбора оптимального пути интегрирования в комплексной полуплоскости;

         метод вычислительной диагностики для решения обратной задачи восстановления геометрических и электрофизических параметров плоскослоистых сред при зондировании сверхширокополосными короткоимпульсными сигналами;

         методы глобальной оптимизации (генетический алгоритм, алгоритм роя пчел) для поиска глобального минимума оптимизируемой невыпуклой и многопараметрической целевой функции (оптимизационного функционала);

         метод калибровки для определения параметров электродинамической модели СШП антенн, процедуры калибровки для компенсации нестабильности сигнала генератора, устранения переотражений в тракте, определения координат виртуального центра;

         вычислительные эксперименты выполнены на основе современных технологий программирования;

         экспериментальные измерения параметров антенн проводились во временной области с использованием измерительно-вычислительного комплекса (ИВК) на основе стробоскопического осциллографа типа С9-11.

         Научная новизна результатов исследований состоит в следующем:

         Разработаны принципы реконструкции электрофизических и геометрических параметров подповерхностных сред на основе связи ее геометрических и электрофизических параметров с сигнатурой (передаточной характеристикой) среды, обеспечивающие повышение достоверности диагностики сред.

         Предложены и разработаны взаимно дополняющие методы реконструкции геометрических и электрофизических параметров плоскослоистых сред: МВД - разложения по плоским волнам, МВД - виртуального комплексного источника и МВД - дипольного моделирования, основанные на различных электродинамических моделях, учитывающих пространственно-временные и пространственно-частотные характеристики приемопередающей антенны, позволяющие решать задачу реконструкции параметров плоскослоистых сред на более высоком уровне по сравнению с известными методами.

         Развита теория электродинамики (нестационарной) в части определения пространственно-временных и пространственно-частотных характеристик антенн, возбуждаемых СШП КИ сигналами. Определены векторная импульсная и передаточная характеристики антенны с произвольным пространственно-временным распределением эквивалентных токов в ближней и дальней зонах.

         Определены полевые характеристики широкого класса апертурных антенн с асинхронным возбуждением раскрыва, результаты получены на основе предложенного подхода определения векторной импульсной характеристики излучателя с прямоугольной апертурой и синхронным ее возбуждением. Определена импульсная характеристика апертурной СШП антенны (Т-рупора) на основе предложенного подхода и метода декомпозиции, а также ее передаточная функция в виде конечного числа плоских Е- и Н-волн. Обоснован критерий ограничения.

         Разработаны электродинамические модели приёмо-передающих СШП антенн различной архитектуры, реализуемые на основе эквивалентных источников, включая комплексные источники, учитывающие искажения, вносимые пространственно-частотными характеристиками антенны, что позволяет эффективно и более точно решать прямую задачу в МВД при реконструкции параметров подповерхностных сред.

         Разработанные методы и алгоритмы, полученные на основе связи электрофизических и геометрических параметров сред с формой (спектральной плотностью) рассеянного ими зондирующего СШП короткоимпульсного сигнала, реализованы рамках работ НИР и ОКР (госконтракт № 08/49, 2008 - 2010 гг. с в/ч 43753) в программные технологии диагностики слоистых сред и дорожных покрытий и формированию радиоизображений подповерхностных объектов с помощью многоцелевого многоканального РПЗ.

         Совокупность полученных результатов, включающих развитие теории, разработанные методы и электродинамические модели СШП антенн, а также соответствующие алгоритмы обработки и процедуры калибровки аппаратной части, реализованные в программное обеспечение диагностики слоистых сред (дорожных покрытий) в рамках работ в НИР и ОКР с помощью многоканального РПЗ, по сравнению с известными подходами, позволяют:

         уменьшить погрешности определения геометрических и электрофизических параметров дорожных покрытий до 8 ^ 10 %, что позволяет судить о качестве выполненных строительных работ, связав указанные параметры с качеством материалов и технологиями выполнения дорожных покрытий;

         существенно сократить время мониторинга за счет многоканального режима работы, исключить трудоёмкие инвазивные процедуры контрольного бурения, сократить расходы на строительство и эксплуатацию.

         Практическая значимость результатов работы состоит в следующем:

         разработанные принципы реконструкции электрофизических и геометрических параметров подповерхностных сред, основанные на связи ее параметров с сигнатурой (передаточной характеристикой) среды, включают, метод вычислительной диагностики (МВД) для решения обратной задачи, интегральные представления электромагнитных зондирующих и рассеянных полей и алгоритмы для решения прямой задачи, методы глобальной оптимизации для минимизации невыпуклой многопараметрической целевой функции, процедуры калибровки аппаратной части измерителя, обеспечили повышение достоверности диагностики сред;

         разработанные методы, алгоритмы, и соответствующие программы включены комплекс прикладных программ, предназначенных для многоканальных многофункциональных РПЗ, позволяющих осуществлять регистрацию, первичную обработку принятых сигналов и вторичную обработку, для реконструкции параметров подповерхностных плоскослоистых сред (дорожных покрытий и родственных объектов) с последующим формирование радиоизображений подповерхностных объектов;

         разработанные методы вычислительной диагностики - разложения по плоским волнам, метод вычислительной диагностики - виртуальный комплексный источник, метода вычислительной диагностики - дипольное моделирование, а также алгоритмы на их основе могут быть использованы для диагностики параметров диэлектрических плоскослоистых структур, а также в радарах иного типа для повышения достоверности реконструкции параметров плоскослоистых сред, в частности, для РПЗ с формирование сигнала со ступенчатым изменением частоты;

         разработанная теория электродинамики (нестационарной) в части определения полевых характеристик апертурных антенн с произвольным пространственно-временным распределением эквивалентных токов в ее раскрыве различной формы может быть использована для определения векторных импульсных и энергетических характеристик антенных решеток (АР), возбуждаемых СШП короткоимпульсными сигналами, с произвольным размещением излучателей, в том числе на неплоской поверхности;

         разработанный подход расчета функции Грина плоскослоистой среды в виде суперпозиции конечного числа распространяющихся и затухающих плоских E- и H-волн, а также на основе численного интегрирования по выбранному оптимальному пути в плоскости комплексных углов, может быть использован для разработки печатных антенн и СВЧ элементов, выполненных на плоскослоистых структурах.

         Реализация и внедрение результатов работы. Результаты работы, реализованные на основе разработанных методов и алгоритмов, включены в единый комплекс прикладных программ, предназначенных для многоканальных многофункциональных РПЗ, позволяют осуществлять регистрацию и первичную обработку принятых сигналов, вторичную обработку, диагностику параметров подповерхностных слоистых сред и последующее формирование радиоизображений подповерхностных объектов, внедрены в многоканальные РПЗ, разработанные с личным участием автора, в НИР «Водолей» (госконтракт № 05/243, 2005 - 2007 гг. с в/ч 43753) и ОКР «Водолей-Э1» (госконтракт № 08/49, 2008 - 2010 гг. с в/ч 43753).

         Использование в учебном процессе. Теоретические результаты работы нашли отражение в опубликованных учебных пособиях: 1. Антенны и устройства СВЧ. Проектирование ФАР: Учебное пособие для вузов (гриф Минобразования РФ)// Под ред. Д.И. Воскресенского, Радиотехника, 2003 (коллектив авторов); 2. Расчет электромагнитных полей в слоистых средах и периодических структурах, Издательство МАИ, 1989 (в соавторстве), а также в комплексе лабораторных работ по специальности "Радиофизика" на факультете «Радиоэлектроника летательных аппаратов» Московского авиационного института (государственного технического университета).

         Достоверность полученных результатов развитой теории электродинамики слоистых сред обусловлена совпадением с известными результатами, полученными для частных случаев, использованием апробированного электродинамического аппарата при нахождении рассеянных электромагнитных полей, а также численным экспериментом на моделях плоскослоистых сред, проведенным с помощью моделирования методом конечных разностей во временной области. Полученные результаты натурных измерений подтвердили заложенные принципы и технологии.

         Апробация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на:

         XIII International Conference on Ground Penetrating Radar Lecce, Italy, June 21-25, 2010.

         15-й, 17-й и 20-й Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии». Севастополь, Украина, 2005, 2007, 2010 гг.

         Progress 5th European Radar Conference, Amsterdam, The Netherlands, October 2008.

         Progress In Electromagnetics Research Symposium Proceedings, Moscow, Russia, August 18-21, 2009.

         3-й Международной конференции Акустооптические и радиолокационные методы измерений и обработки информации, Суздаль, 2009 г.

         14-й Международной Научно-технической Конференции "Радиолокация, навигация, связь (RLNC - 2008)". Воронеж, 2008 г.

         Второй всероссийской научной конференции-семинара «Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике». Муром, 2006 г.

         Научно-технической конференции «Центральный научно-исследовательский институт радиоэлектронных систем - 2006»:. Москва, 2006 г.;

         Научно-технической конференции МАИ. Москва, 2005, 2006 гг.

         XVIII научно-технической конференции НИИ приборостроения им. В.В.Тихомирова, Жуковский, 2005 г

         IV international conference on antenna theory and techniques. Sevastopol, Ukraine, September 9-12, 2003.

         Публикации. По основным результатам выполненных в диссертации исследований опубликована 31 печатная работа, из них 13 научных статей (11 в журналах, рекомендуемых ВАК) и 18 тезисов докладов, 1 патент РФ.

         Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 300 ( без приложений на 265) машинописных страницах и состоит из введения, семи разделов, заключения, 8 приложений. Иллюстративный материал представлен в виде 107 рисунков и 15 таблиц. Список литературы включает 124 наименования.

         Алгоритмы диагностики на основе электродинамического моделирования

         Полагают, что дорожное покрытие (ДП) состоит из нескольких плоских однородных слоев, толщины и диэлектрические постоянные которых необходимо определить. В этом случае передающая Тх и приемная Rx антенны расположены на его поверхности, а время прохождения луча относительно средней точки для однослойной среды толщиной d (рисунок 1.2), удовлетворяет следующему уравнению: где V = C/TJS , 2tn(x), 2t0(x) время задержки при прохождения луча из исходной точки для конечного 2хп и нулевого расстояния между антеннами соответственно, v - скорость распространения волны в слое, и sr — диэлектрическая постоянная, с - скорость распространения волны в воздухе.

         Изменяя расстояние между антеннами, и регистрируя задержку, получим переопределенную систему уравнений (1.1), решая которую, например, методом наименьших квадратов, определим скорость распространения v (диэлектрическую проницаемость) и толщину d слоя. Аналогично уравнению (1.1) можно получить уравнение для диагностики многослойной среды, а затем, решая полученную систему уравнений, определить параметры ДП. Существенным при построении модели ДП является знание количества слоев в структуре. МСТ справедлив для относительно небольших интервалов изменения расстояний: при очень малых - существенным является влияние прямой поверхностной волны «звон» в тракте приемника, а также отсутствие тонких слоев в структуре ДП, при больших - неадекватность представленной модели распространения даже в однослойной среде, что приводит к неправильным результатам диагностики параметров ДП [21]. Для увеличения точности измерений параметров при больших расстояниях между антеннами предложена новая математическая модель, включая случаи с одним и двумя слоями. В модели определены все возможные пути луча в многослойной среде, определяемые на основе закона Ферма [22]. Как показано на рисунке 1.3, две симметричные точки Q\ и Q1, в которых луч проникает и выходит через границу воздух-поверхностный слой, координаты х, которых определены, используя принцип Ферма, при этом угол вс соответствует критическому углу. 2L т х » , х , R Положение из (1.3) аналогично находим, что Т(х) является возрастающей функцией х, и достигает минимума при х = L. Аналогичная соотношения получены при распространении лучей для двухслойной структуры, геометрия которой и характерные точки преломления траектории луча представлена на рисунке (1.4)

         Таким образом, представленный метод диагностики параметров ДП на примере новой модели одно- и двухслойной структуры продемонстрировал процедуру поиска путей распространения лучей (рисунки 1.3 и 1.4) в зависимости от толщины и диэлектрической постоянной каждого слоя, что учтено в алгоритме вычисления параметров структуры [22]. При этом предложенный метод позволяет повысить точность восстановления параметров по сравнению с традиционным (МСТ, является его частным случаем) особенно для многослойной структуры, содержащей относительно тонкий слой {d«L). модель для двухслойной среды.

         Наряду с достоинствами, представленный бистатический метод имеет недостатки: 1. Существенное влияние на достоверность результатов восстановления параметров оказывает продольная неоднородность структуры слоев на интервале измерения. 2. Необходимость тщательного предварительного «профилирования среды» определение количества слоев в структуре, осуществляемой в моностатическом режиме зондирования. Ошибка, например пропуск слабоконтрастного тонкого слоя, приводит к существенной ошибке или неконтролируемой ошибке при восстановлении параметров слоя. 3. Сложность применения метода для реальных структур, состоящей из нескольких (более двух) слоев 4. Увеличение расстояния между антеннами приводит к росту затухания, для компенсации которого необходимо повышать мощность передатчика. 5. Для слоев, обладающих высоким ослаблением, определение скорости согласно (1.4) существенно снижает качество регистрируемых данных, используемых при восстановлении параметров структуры. 6. Незначительная продольная неоднородность и слабая дисперсия даже одного из слоев структуры приводит как изменению траектории луча, так и изменению формы регистрируемого сигнала.

         Кроме того, при поиске путей распространения лучей не учтена поляризация электромагнитного поля и соответственно ориентации приемной и передающей антенн, в зависимости от которой, а также структуры слоистой среды, возникают особенности распространения Е- и Н-волн, не учитываемые в модели, представленной в [24].

         Лучевая трактовка методов диагностики, реализуемых на основе бистатической схемы, представленных выше, полностью игнорирует влияние приемопередающей (ПП) ангенны и радиочастотного тракта РПЗ на характеристики зондирующего и рассеянного сигналов, что также снижает точность определения параметров среды, при этом ошибка

         В работе [23] рассмотрен один из подходов повышения точности измерения толщины и диэлектрической проницаемости на примере однослойной среды, основой которого являются процедуры калибровки, учитывающие влияние ряда факторов при регистрации и обработке данных РПЗ:

         Оценка фактической высоты h над средой или объектом и расстоянии D между ПП антеннами при регистрации разности времени прихода прямого и отраженного сигналов At = t{ 2. — Оценка погрешностей регистрации амплитуды отраженного (рассеянного) сигнала от высоты ПП антенн, особенно в случае, когда среда или объект находится в ближней зоне. Калибровка приемопередающих антенн (определение фактической высоты антенны и расстояния между ними). При работе РПЗ время прихода прямого t2 и отраженного объектом эхо-сигнала /, связаны уравнением где h - высота антенны над объектом , D — расстояние между антеннами, X - расстояние, пройденное прямой волной, С - скорость электромагнитной волны в воздухе. В уравнении (1.6) tt и / 2 могут быть измерены при приеме сигналов, но значения h и D не могут бьпъ измерены точно, так как координаты исходной точки излучения и конечной точки приема ЭМ поля фактически неизвестны. Знания этих величин необходимы как для измерения толщин и диэлектрической проницаемости плоскослоистой среды, так и формирования подповерхностного изображения объектов. Для определения h и D используется метод калибровки, при этом в качестве эталона используется плоский металлический экран, расположенный на фиксированном расстоянии от антенны перпендикулярно направлению излучения ЭМ поля. При различных высотах антенн /г, регистрируют разность Att =tu t2l времени прибытия прямой и отраженной волн при фиксированном расстоянии D между антеннами. Эти параметры удовлетворяют следующим уравнениям: где N - количество проведенных измерений, А/г и Д ошибки измерения фактической высоты антенны и расстояния между ними, которые можно рассматривать как константы, исключая их случайный характер. Используя (1.7) можем определить значения А/г и AD из следующих уравнений:

         Скалярная пространственно-временная импульсная характеристика антенны с плоской апертурой

         Идея алгоритма [60, 62] возникла из наблюдения за поведением пчел при их поиске участков, где можно найти как можно больше нектара. Пчелы могут летать на довольно большие расстояния от улья в различных направлениях, что напоминает поиск экстремума на всей области поиска. Среди популяции пчел всегда есть небольшой процент так называемых пчел-разведчиков, которые начинают поиск нектара. Они разлетаются в случайном направлении и перелетают с места на место пока не найдут участок, где можно найти нектар. После того как пчелы-разведчики возвращаются в улей, в случае, если они нашли хороший участок для сбора нектара, они сообщают особым образом [62] остальным пчелам направление на найденный участок, расстояние до него и качество найденного участка. После этого на найденные участки отправляются другие пчелы, причем, чем больше на данном участке предполагается найти нектара, тем больше пчел летит в этом направлении. Если пчела-разведчик нашла участок, где есть нектар, но его мало (меньше определенного порога), то пчелы туда не летят. Пчелы-разведчики, в свою очередь, опять улетают искать другие участки, после чего процесс повторяется.

         Алгоритм роя пчел, предложенный в 2005 году [60], является, как и ГА, эвристическим алгоритмом, используемый для задач оптимизации функции многих переменных. У алгоритма пчел те же преимущества перед градиентными методами, что и у ГА, то есть с помощью него можно находить глобальные экстремумы функции, в то время как градиентные методы не могут выходить из локальных экстремумов. Как и генетический алгоритм, алгоритм роя пчел работает сразу со многими решениями, что позволяет искать глобальный экстремум сразу на всей области поиска.

         Однако у алгоритма роя пчел есть преимущества по сравнению с ГА. Во-первых, для сходимости алгоритму роя пчел в среднем требуется меньшее число раз рассчитывать значение целевой функции [60], что позволяет значительно сократить время счета. Во-вторых, в алгоритме роя пчел нет таких битовых операций как скрещивание и мутация, что также может увеличить скорость вычислений.

         Недостатки ГА. Главным недостатком ГА является проблема преждевременного схождения к локальным экстремумам или вырождение популяции. Эта проблема возникает в случае, если не хватает достаточного генетического материала из-за слишком маленького размера популяции. Увеличение размера популяции часто решает эту проблему, а заодно и уменьшает количество поколений, необходимых для сходимости, но в этом случае увеличивается время счета для каждой итерации.

         Кроме того, к вырождению популяции может привести использование неудачного алгоритма для отбора, когда отбраковывается слишком много особей.

         Из графика видно, что генетический алгоритм сошелся к оптимальному значению на порядок быстрее, хотя при первых итерациях алгоритм роя пчел оказался ближе к правильному решению благодаря тому, что при первоначальном распределении пчел был произведен лучший охват области поиска (большее количество пчел участвовало в алгоритме). Проведенное тестирование позволяет выбрать стратегию применения и параметры ГА и алгоритма пчел.

         Для проверки возможностей восстановления параметров плоскослоистой среды были произведены численные эксперименты на основе генетического алгоритма. Предполагается идеализированная обстановка: в качестве простой модели падающего поля используется одна плоская волна, падающая по нормали к поверхности (искажающие свойства реальной антенны и высокочастотного тракта РПЗ не учитываются), среды взяты без потерь, количество слоев среды и диапазон изменения параметров задаются. Восстановление параметров сред осуществляется на основе функционала (3.20).

         Сигнал, отраженный от плоско слоистой среды Преде гавленные сигналы позволяют определить диэлектрические проницаемости &2, &з и толщину слоя СІ2, на основе поиска глобального минимума функционала (3.20), при этом расчет проводился только на 12-ти частотах от 0.24 ГГц до 1.7 ГГц с шагом 0.1 ГГц.

         В соответствии с [61, 63] при применении генетического алгоритма использовались следующие рекомендуемые параметры: размер популяции 500 особей; вероятность скрещивания 90%; вероятность мутации 20%; диэлектрические проницаемости лежат в интервале 1 - 30; толщина второго слоя лежит в интервале 0 — 1.0 м.

         Проведен численный эксперимент по восстановлению параметров среды в присутствии аддитивного шума. Среди факторов, вызывающих ошибки восстановления параметров среды, можно вьщелить погрешность аппаратуры, сигналы, отраженные от локальных неоднородностей среды, и «звон» антенны. Их совокупность можно рассмотреть как некоторый аддитивный шум n(t), действующий на входе приемника. Для упрощения моделирования примем, что шум стационарный, имеет нормальное распределение с нулевым средним ( n{t) = 0). Шумовую составляющую сигнала, соответствующему отраженному от среды, регистрируемого на входе приемника, будем оценивать с помощью отношения сигнал/шум, которое представим традиционным образом где S — регистрируемый сигнал без учета шума, N — гауссов шум с нулевым средним значением и с ограниченной полосой частот 0.1 ГГц - 3 ГГц, М — количество отсчетов в дискретном сигнале (в данном случае М=1024).На рисунках 3.7-3.9 представлены изменения значений рассчитываемых параметров в зависимости от номера поколения при различных соотношениях сигнал-шум. Блок схема и этапы реализации ГА представлены в приложении D.

         Постановка задачи реконструкции плоскослоистых сред. Метод вычислительной диагностики

         Моделирование рассмотренной прямой задачи осуществлялось также с использованием программы электродинамического моделирования, реализуемой на основе метода КРВО. На рисунке 5.1 представлена геометрия электродинамического объекта для численного моделирования прямой задачи [17, 19] (тождественная геометрии натурных измерений), включающего элементарный электрический диполь, ориентированный вдоль оси ОХ, длина

         Зондирующий сигнал (а) и его нормированный амплитудный спектр (б). которого 21 = Лтах/Ю = 1,5 см, а диаметр d0 = 0,002 см. Размер диаметра диполя соответствует минимальному размеру элемента сетки (порта), возбуждающего диполь, и расположенного в его центре [17]. Размеры области КРВО-моделирования составили соответственно X = Y = 80,0 см, Z = 200,0 см, а расстояние от точки возбуждения вибратора до границы раздела со слоистой средой составило dx + \dQ\ = 85,0 см. Форма (нормированное напряжение) возбуждающего ЭЭД сигнала и его спектр приведены на рисунке 5.11. Осциллограмма Ех -компоненты поля, рассеянного плоскослоистой средой и металлическим экраном в точке регистрации (в порту диполя) представлены на рисунке 5.11 а, а на рисунке 5.11 б приведены их соответствующие нормированные спектры. Представленные временные зависимости соответствуют отражениям от четырехслойной среды с параметрами d2 = 10,0

         Из рис. 5.12 а видно, что осциллограммы сигналов, отраженных от плоскослоистой среды, как и в случае экспериментальных исследований (см. раздел 7), не содержат характерных признаков, отражающих структуру среды. Иными словами, сигналы, отраженные каждой границей раздела, не разделены во времени. Реконструкция параметров таких плоскослоистых сред возможно только на основе метода вычислительной диагностики. На рис. 5.13 приведены передаточные функции (сигнатуры) плоскослоистой структуры, полученные при помощи КРВО-моделирования и на основе численного интегрирования в к -плоскости согласно выражению (5.49) и результатам, представленным в приложении Е.

         Здесь также приведена сигнатура, полученная на основе вычисления рассеянного средой поля (5.43) с использованием разложения поля на основной поляризации по плоскими Е- и Н- волнам (5.33)-(5.37) при Nt =Mt=40; N =А =50 и последующим их суммированием в точке с координатами х„ =ут = 0, z = z = dx + \d0\, 6 = 0. Рисунок 5.13-Передаточная функция (сигнатура) четырехслойной среды. Отличие сигнатур плоскослоистой среды, полученных при помощи КРВО моделирования и на основе численного интегрирования, обусловлено ошибками КРВО моделирования, которые возрастают при большем контрасте слоистых сред (см. рис.5.16) и сохранении количества ячеек сетки при моделировании. Формирование сигнатур и последующая реконструкция параметров плоскослоистых сред различной структуры подробно рассмотрены в разделе 7.

         Моделирование отражения от плоскослоистой среды. Рассмотрим примеры реконструкции электрофизических и геометрических параметров плоскослоистых сред. Исходные данные были получены в результате расчета с помощью программы электродинамического моделирования методом КРВО. Полученные результаты позволяют выбрать параметры КРВО-моделирования: размеры области и сетки, объем используемой оперативной памяти и др., а также оценить эффективность и возможности метода при решении задачи реконструкции параметров слоистых сред. Исходные параметры среды при моделировании представлены в таблице 5.1

         В качестве моделируемой антенны использовался Т-рупор, размеры области моделирования составили 3.0 мх 2.0 мх 1.075 м. В качестве возбуждающего сигнала использовался дифференцированный гауссов импульс с полосой частот 0.3 - 2 ГГц. Шаг генерирования сетки был установлен как 13 линий на длину волны.

         При расчете отраженного сигнала от плоскослоистой среды количество ячеек сетки составило 6 668 550. При этом объем используемой оперативной памяти был равен 849 148 кБ. На ПЭВМ с процессором Pentium IV НТ с тактовой частотой 2.1 ГГц расчет длился 2.5 часа.

         При расчете отраженного сигнала от металлического листа количество ячеек сетки составило 1 053 768. При этом объем используемой оперативной памяти был равен 219 080 кБ. На ПЭВМ с процессором Pentium IV НТ с тактовой частотой 2.1 ГГц расчет длился 18 минут.

         При расчете сигнала фоновых отражений количество ячеек сетки составило 1 449 460. При этом объем используемой оперативной памяти был равен 246 756 кБ. На ПЭВМ с процессором Pentium IV НТ с тактовой частотой 2.1 ГГц расчет длился 36 минут.

         Применение процедур калибровки. Перед этапом диагностики был произведен этап калибровки, заключающийся в вычитании фоновых отражений из сигналов, отраженных от плоскослоистой среды и от металлического листа (экрана) и в выделении полезного сигнала временным окном.

         На рисунке 5.15 а показаны сигналы после вычитания фоновых отражений. Здесь 1 -остаточный сигнал после вычитания фона, обусловленный погрешностями моделирования, 2 — полезные сигналы, отраженные от металлического листа и от плоскослоистой среды. На рисунке 5.14 б показаны сигналы после применения временного окна.

         Аппроксимация непрерывного пространственно-частотного спектра волн,рассеянных плоско слоистой средой

         При проведении исследований измерение характеристик антенн проводят в частотной области с использованием гармонического сигнала, а также во временной области с использованием сигналов нано- и пикосекундной длительностью. Измерения в частотной области требуют значительных временных ресурсов и затрат на доростоящее оборудование, создание безэховых камер, особенно при измерениях характеристик широкополосных и сверх широкополосных антенн. Достоинством метода измерений во временной области является возможность одновременного измерения параметров антенн в широкой полосе частот, а использование временного стробирования сигналов и режима калибровки при проведении измерений, позволяют проводить измерения в эховых условиях [4]. Временные затраты при измерениях в частотной области могут быть существенно сокращены за счет использования оптико-электронных процессоров, позволяющих осуществлять регистрацию и обработку пространственно-временных сигналов одновременно в широкой полосе частот [38,76]. Кроме того, при вторичной обработке зарегистрированного широкополосного сигнала путем преобразования его во временную область, использовать временное стробирование эховых сигналов, а также процедуры калибровки. Особенности обработки СШП сигналов и функциональные возможности таких измерителей рассмотрены в приложении Е.

         При измерениях во временной области для получения импульсной характеристики исследуемой антенны используют импульс длительностью порядка 50,0 пс. Передаточная функция антенны является Фурье-парой импульсной характеристики и рассчитывается с помощью алгоритма дискретного преобразования Фурье.

         Для проведения экспериментальных исследований характеристик СШП антенн, в ряде случаев, необходимо предварительно решить ряд метрологических задач: -разработать и определить передаточные характеристики малоразмерных широкополосных вибраторных и петлевых зондов, используемых для регистрации полевых характеристик антенн в ближней зоне в составе измерительно-вычислительного комплекса (ИВК); -выбрать области поверхности (сферической, цилиндрической, плоской) в зависимости от решаемой задачи и размера пространственной сетки перемещения зонда при регистрации ортогональных компонентов поля; -разработать структурную схему установки для проведения экспериментальных исследований, включая выбор расстояния между исследуемой антенной и измерительным зондом, с учетом его перемещения вдоль выбранной поверхности, размера апертуры и рабочего диапазона испытуемой антенны; оценить характеристики направленности в дальней зоне (ДЗ) антенны по результатам измерений в ближней зоне (БЗ), выполненную на последнем этапе на основе использования алгоритма дискретного преобразования Фурье, что обеспечивает высокую точность и исключает временные и материальные затраты необходимые при прямом методе измерений полевых характеристик антенн в ДЗ. При проведении измерений параметров СШП антенн взаимное влияние антенна-зонд полагалось незначительным.

         Цель экспериментальных исследований: определение передаточной и импульсной характеристик Т-рупорной антенны РПЗ, а также ее полевых характеристик в ближней и дальней зоне. Результаты получены на основе измерений во временной области в ближней зоне антенны с использованием разработанных малоразмерных зондов применительно к ИВК [39,41] 7.4.1. Определение пространственно-временной и пространственно-частотной характеристик антенны.

         Пространственно-временная характеристика, в частности, векторная импульсная характеристика (ВИХ) антенны в передающем режиме hfx(r0,t), (размерность - м/с) в направлении г0 определяется соотношением между возбуждающим антенну импульсом тока Кал (()= U»ad (0/2 - падающим на входные клеммы и вектором напряжённости электрического поля Ега[/(г,/), которая в приближении дальней зоны представима в виде [30] n-,Mi- kfr.. 0ef% (7.1) 8л- re R. dt где г0 = г/г - единичный радиус-вектор, г - радиус-вектор точки наблюдения (регистрации), S - операция свёртки, Ґ = / — г/с - время задержки, RK = Яг (сопротивление генератора) импеданс фидера на основной моде и Zo — волновое сопротивление свободного пространства; предполагается, Unad(t) - напряжение на входе антенны. Пространственно-временная (ПВ) ВИХ антенны на передачу, по существу, представляет собой излучаемое ею векторное электрическое поле Erac/(r,f) в произвольной точке пространства г при ее возбуждении сверхкоротким импульсным сигналом U(t). Сверхкороткий 8 -импульс можно аппроксимировать реальным сигналом, если его длительность ти «хА, где тА = 1/Д F — постоянная времени антенны (например, при полосе частот антенны AF = 2000 МГц величина тд = 0.5 не).

         Фурье-парой векторной импульсной характеристики антенны в частотной области является передаточная функция: nTx(r0,f)=F{hTx(r0,t)}. (7.2) F - оператор преобразования Фурье, / - частота. При исследовании полевых характеристик антенны в ближней зоне удобно использовать передаточную функцию антенны в режиме передачи как отношение комплексной амплитуды вектора напряженности электрического поля к падающей составляющей комплексной амплитуды волны напряжения на входе антенны (рис. 7.12 а):

         Зная касательную составляющую поля (7.5) либо (7.6) в ближней зоне на замкнутой» поверхности, окружающей антенну или части поверхности, используя, соответствующий алгоритм, можно рассчитать создаваемое антенной поле в произвольной точке пространства, или в ограниченном секторе углов, включая дальнюю зону [37].

         Антенный модуль (приемная и передающая антенны или совмещенная приемопередающая антенна) — важнейший элемент радаров подповерхностного зондирования. Антенная система должна удовлетворять ряду часто противоречивых требований: излучать (принимать) сверхширокополосные (СШП) видеоимпульсы с минимальными искажениями и малым "звоном", т.е. иметь в рабочей полосе частот (октава и более) равномерную амплитудочастотную характеристику (АЧХ) и линейную фазочастотную характеристику (ФЧХ); иметь стабильную поляризационную характеристику, обеспечивать, минимальное взаимное влияние между приемным и передающим каналами РПЗ при работе в бистатическом режиме; а также формировать необходимую энергетическую "диаграмму направленности".

         Полная метрологическая аттестация СШП антенны РПЗ включает ряд этапов: измерение ближнего поля и расчет (или измерение) дальнего поля антенны в свободном пространстве, а также поля в реальной среде, определение координат виртуального центра питания антенны и измерение внутренних характеристик антенн (АЧХ, ФЧХ, входного сопротивления и других). Результаты исследований и, методика измерений комплексного коэффициента отражения в полосе частот, зависимости формы импульса от расстояния и угловых координат, трансформации формы СШП короткоимпульсного сигнала при его передаче между двумя антеннами, пиковой диаграммы направленности представлены в работах [39, 89]. Согласно (7.5), для измерения передаточной функции во временной области необходимо зарегистрировать осциллограмму сигнала, подводимого к антенне (рис. 7.12 б), а также осциллограммы касательных компонент вектора напряженности поля, создаваемого антенной, возбуждаемой тем же сигналом (рис. 7.12 в). В свою очередь, для регистрации осциллограмм поля необходима специальная приемная антенна (зонд) с известной передаточной функцией в режиме приема. Поскольку на практике передаточная функция зонда известна лишь в ограниченном участке спектра, и измерения проводятся в ограниченной полосе частот, то импульсная характеристика, определенная по (7.4), а также результат (7.6) неизбежно подвержены частотным искажениям.

         Похожие диссертации на Сверхширокополосная электродинамика реконструкции параметров подповерхностных сред

         

         Система измерения положения границы раздела и параметров сред на основе датчиков расстоянияЛичков, Геннадий Геннадьевич

         

         Диагностика и прогнозирование противопожарного состояния опасных производственных объектов в условиях динамичного изменения параметров среды функционированияБирюков Максим Сергеевич

         

         Нормализация температурно-влажностных параметров воздушной среды птицеводческих помещений путем обработки воздуха пластинчатыми теплообменникамиГулевский Вячеслав Анатольевич

         

         Пассивно-активные радиотехнические средства контроля метеорологических параметров природной средыБулкин Владислав Венедиктович

         

         Обеспечение нормативных параметров воздушной среды рабочей зоны окрасочных участков предприятий стройиндустрии на основе вихревой технологии обработки воздухаСамарская Наталья Сергеевна

         Электромагнитный метод и комплекс средств измеренийдинамических параметров жидкостных сред в экологическом мониторинге.Большаков, Владимир Борисович

         Разработка методов обеспечения параметров воздушной среды в сезонных сооружениях для сельскохозяйственных работников Средней АзииАсраев, Ризакул

         

         Совершенствование организации воздухообмена в цехах с высокой влагонасыщенностью и технологически регламентированными параметрами воздушной средыВоробьев, Дмитрий Сергеевич

         Алгоритмические и программные средства аналитического и неразрушающего контроля параметров природной среды на основе метода выделения структурКатаев, Сергей Григорьевич

         Контроль параметров газовой среды в технологическом процессе гранулирования суспензийБелова, Надежда Вячеславовна