Содержание к диссертации
Введение 5
Глава 1. Обзор современного состояния и определение актуальных проблем георадарного зонд,ироаан я 12
1.1. Этапы развития методов и средств подповерхностного радиолокационного зондирования 12
1.2. Физические принципы георадарного зондирования 16
1.3. Методы георадарного зондирования 22
1.4. Средства георадарной съемки 28
1.4.1 .Георадары наземного базирования 28
1.4.2. Георадары авиационного (воздушного) базирования. 31
1.4.3. Сравнение характеристик воздушных георадаров 33
1.4.4. Средства географической привязки
1.5. Георадарная система природноресурсного и экологического мониторинга(ГСПЭМ) 35
1.6. Методика оценки максимальной глубины зондирования 36
1.7. Актуальные проблемы георадарного зондирования и пути их решения 39
Выводы 42
Глава 2. Принципы построения георадарной системы природноресурсного и экологического мониторинга 44
2.1. Концепция системы мониторинга и управления природноресурсными и экологическими процессами 44
2.2. Назначение ГСПЭМ и объекты зондирования 49
2.2.1 .Области применения ГСПЭМ 49
2.2.2. Малоразмерные объекты ГСПЭМ з
2.2.3. Пространственно распределенные объекты (системы) 53
2.2.4. Динамические свойства подповерхностных объектов и их модели 55
2.3. Принципы построения ГСПЭМ 58
Выводы 68
Глава 3. Методика расчета характеристик обнаружения и выбор параметров георадара 70
3.1. Место и роль георадаров в системе обнаружения и определения состояния природных и антропогенных объектов 71
3.2. Развитие методики оценки максимальной глубины зондирования наземных георадаров (ИГР) 74
3.3. Методика оценки максимальной глубины зондирования воздушным георадаром (ВГР) 82
3.3.1. Исходные замечания и предпосылки 82
3.3.2. Методика расчета максимальной глубины зондирования 85
3.3.3. Особенности и возможности использования ВГР 89
3.3.4. Разрешающая способность георадара по глубине зондирования и выбор полосы частот спектра зондирующего сигнала 91
3.4. Методика выбора параметров зондирующего сигнала 94
3.5. Повышение разрешающей способности ВГР в горизонтальной плоскости методами фильтрации по дальности, допплеровским частотам и поляризации 96
Выводы 100
Глава 4. Обнаружительные и диагностические возможности георадаров и требования, предъявляемые к характеристикам основных блоков ГСПЭМ 102
4.1. Электрические и отражательные (рассеивающие) свойства зондируемых объектов и сред 102
4.1.1. Электрические характеристики земных покровов 102
4.1.2. Характеристики отражения, рассеяния и преломления электромагнитных волн земными покровами 104
4.1.3. Эффективная поверхность рассеяния (ЭПР) объектов зондирования и их контрастные характеристики 107
4.2. Обнаружительные и диагностические возможности георадаров:
модельные оценки и их сравнение с результатами натурных измерений... 109
4.2.1. Предельная точность измерения глубины подповерхностных объектов 110
4.2.2. Модельные расчеты обнаружительных и диагностических характеристик наземных георадаров 112
4.2.3. Модельные расчеты обнаружительных и диагностических характеристик воздушных георадаров 117
4.2.3.1. Вариант вертолетного зондирования 117
4.2.3.2. Вариант самолетного зондирования 120
4.3. Сравнение результатов модельных расчетов с данными практического использования георадаров 123
4.4. Требования, предъявляемые к характеристикам георадаров 126
4.5. Требования к точности географической привязки 128
Выводы 131
Заключение 132
Литература 1
Введение к работе
Актуальность и обоснование темы диссертации. Эффективность решения задач различных хозяйственных отраслей и, в частности, задач рационального природопользования, управления городскими службами, экологии, инженерной геологии, археологии и ряда других во многом зависит от полноты и достоверности используемой для этих целей информации о локализации и состоянии соответствующих природных и антропогенных объектов. Одним из перспективных инструментов получения такого рода информации являются средства длинноволнового радиолокационного (георадарного) зондирования, размещаемые на наземных и авиационных (воздушных) носителях. Они позволяют оперативно изучать различного рода объекты, процессы и явления в подпочвенных горизонтах, что практически недоступно другим методам и средствам дистанционных и наземных наблюдений. Результаты такого изучения имеют огромное значение для создания трехмерных моделей подповерхностных структур, проектирования и прокладки подземных трасс инженерных сооружений, метрополитена, трубопроводов, строительства жилых кварталов, обнаружения и картирования карста, зон загрязнений и т.п. Активное развитие методов и средств подповерхностного радиолокационного зондирования наблюдается как в России, так и особенно за рубежом. Анализ современной отечественной и зарубежной практики показывает, что на пути последних имеется большое число нерешенных проблем теоретического и практического плана. В частности, это касается вопросов определения максимальной глубины зондирования подповерхностных объектов и ее связи с обнаружительными и точностными характеристиками наземных и особенно авиационных радаров, построения на их базе постоянно действующей системы мониторинга за состоянием этих объектов. Их решение, определившее тематику настоящей диссертационной работы, представляется весьма важным для дальнейшего развития методов и средств подповерхностного зондирования, и указывает на ее актуальность. Общее состояние и оценка выполненных исследований. Исследования, связанные с процедурой радиолокационного зондирования подповерхностных объектов и процессов, были начаты во втором десятилетии прошлого века, однако наиболее быстрое развитие они получили после Второй Мировой войны в связи с появление новых задач и соответствующих им методов и радарных средств. Это стало особенно заметно в 80-е и 90-е годы, когда в подповерхностном зондировании стали активно внедряться методы синтеза антенной апертуры и аналогичные им процедуры обработки данных наземных измерений (метод миграции). На основе большого экспериментального материала выполнена оценка возможностей использования данных подповерхностного зондирования в решении задач экологического мониторинга, инженерной геологии и гидрогеологии, поиска мин и забытых складов боеприпасов, объектов археологии и др. Разработаны методы расчета максимальной глубины зондирования наземными георадарами. В тоже время отсутствуют методы расчета максимальной глубины зондирования, связанные с вероятностями правильного обнаружения и ложной тревоги. Практически отсутствуют разработки, касающиеся оценки обнаружительных и точностных характеристик георадаров воздушного базирования в том числе и предельных. Это и определило направление исследований, выполненных в диссертации.
Объект, предмет исследования. Объектом исследования в диссертационной работе является георадарная система природноресурсного и экологического мониторинга, предназначенная для обнаружения и оперативного контроля состояния природных и природно-антропогенных подповерхностных объектов и процессов и ее основной блок - георадары наземного и воздушного базирования. Предметом исследования служат обнаружительные и диагностические характеристики обоих типов георадаров и, частности, вероятность правильного обнаружения объектов зондирования при заданной вероятности ложной тревоги, глубина их залегания и геометрические размеры, а также характеристики других блоков системы (точность блока географической привязки данных, оперативность их доставки и др.). Цель исследования и средства ее достижения. Целью диссертационной работы является решение актуальной научной задачи по повышению достоверности и надежности результатов георадарного зондирования земных покровов, оптимизации проектирования сенсоров и соответствующей системы природноресурсного и экологического мониторинга, рациональному использованию георадаров наземного и воздушного базирования.
Достижение поставленной цели предполагает выполнение следующего комплекса исследований:
- разработки принципов построения георадарной системы природноресурсного и экологического мониторинга;
- развития существующих методов расчета максимальной глубины зондирования наземным георадаром;
- разработки метода расчета максимальной глубины зондирования воздушным георадаром;
- определения предельных обнаружительных и точностных характеристик георадаров;
- апробации эффективности разработанных методов зондирования на примере решения ряда модельных прикладных задач;
- разработки комплекса требований к характеристикам основных блоков георадарной системы природноресурсного и экологического мониторинга.
Таким образом, в диссертации содержится решение важной прикладной задачи радиолокации, результаты которого найдут применение в экологии, инженерной и поисковой геологии, жилищном и производственном строительстве, транспорте, археологии, а также в обеспечении работы городских коммунальных служб.
Основная научная задача и методы ее решения. В соответствии с целью диссертации и средствами ее достижения основной научной задачей работы является создание методологических основ построения георадарной системы природноресурсного и экологического мониторинга и определения обнаружительных и точностных характеристик ее основных блоков. Методы решения задачи базируются на принципах радиолокационного зондирования статистически неоднородных слоистых сред, теории статистических решений и теории стохастического управления.
Основные научные результаты, их новизна, достоверность и практическая ценность. Полученные в диссертационной работе научные результаты касаются как создания новой методики исследования обнаружительных и измерительных (диагностических) возможностей георадаров наземного и воздушного базирования и разработки принципов построения георадарной системы природноресурсного и экологического мониторинга, так и усовершенствования известной методики георадарных исследований посредством дополнения используемого в ней научно-методического аппарата новыми элементами, касающимися связи результатов зондирования с обнаружительными характеристиками георадаров.
Новизна результатов диссертационной работы заключается в том, что с помощью упомянутых выше методик получены оригинальные результаты по количественной оценке влияния фоновых отражений на обнаружительные и точностные характеристики георадаров, что, кроме того, может быть использовано при решении инженерных задач проектирования таких сенсоров и оптимизации режимов их функционирования.
Достоверность полученных в диссертационной работе результатов была подтверждена с помощью решения ряда конкретных модельных задач и сравнения расчетных данных с данными аналогичных экспериментальных полевых исследований.
Результаты диссертационной работы имеют практическую ценность, связанную с разработкой инженерных методик и рекомендаций по проектированию георадаров и георадарных систем, режимов совместного использования обоих типов георадаров, применению зондирующих сигналов горизонтальной поляризации и решению задач геоэкологии. Научные положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся:
- принципы построения системы природноресурсного и экологического мониторинга;
- усовершенствованная методика расчета максимальной глубины подповерхностного зондирования с помощью наземного георадара;
- методика расчета методика расчета максимальной глубины подповерхностного зондирования с помощью георадара воздушного базирования;
- методика расчета предельной точности измерения глубины зондируемых подповерхостных объектов;
- результаты модельных расчетов по оценке обнаружительных и измерительных возможностей георадаров в решении ряда конкретных прикладных задач.
Апробация научных положений. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: 1-ой Всероссийской научно-технической конференция по проблемам создания перспективной авионики (г. Москва, 2002г.); 3-ей Всероссийской конференции «Аэрокосмические методы и геоинформационные технологии в лесоведении и лесном хозяйстве» (г. Москва, 2002г.); 3-ем Московском Международном Форуме «Энергетика и общество» (г. Москва, 2002г.); 3-ей Международной конференции-выставке «Малые спутники. Новые технологии, миниатюризация, области эффективного применения в 21-ом веке (г. Москва, 2002г.); заседании секции Совета РАН по космосу (г. Москва, 2002г.).
Публикации по теме диссертации. Основной материал диссертации опубликован в 7 работах, среди которых 1 статья, 4 тезиса докладов, одна монография и одно авторское свидетельство на изобретение.
Реализация научных результатов, виды реализации. Научные результаты, полученные в диссертации, внедрены в практику научно-технической деятельности ОАО «Корпорация «Фазотрон-НИИР» и Институте проблем нефти и газа РАН в форме рекомендаций на проектирование воздушных георадаров, методик подготовки исходных данных и проведения расчетов максимальной глубины зондирования георадаров и их обнаружительных характеристик, методик оценки тактико-технических характеристик сенсоров.
Структура диссертации и краткая аннотация ее разделов. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 6/названий.
В первой главе диссертации приведены результаты анализа отечественных и зарубежных исследований в области изучения природных и природно-антропогенных объектов, процессов и явлений с помощью георадаров наземного и воздушного базирования, рассмотрены актуальные проблемы, стоящие перед исследователями и разработчиками, работающими в области георадарногно зондирования а также дано обоснование темы диссертации.
Вторая глава посвящена изложению концепции и принципов построения системы георадарного природноресурсного и экологического мониторинга, назначению системы и объектов зондирования, описанию ее основных блоков и областей практического применения получаемых данных.
В третьей главе дается определение места и роли георадаров в системе обнаружения и мониторинга состояния природных и природно-антропогенных объектов. Приводится описание методов расчета максимальной глубины подповерхностного зондирования георадарами наземного и воздушного базирования, принципов выбора параметров зондирующего сигнала георадара, метода повышения разрешающей способности воздушных георадаров посредством фильтрации эхо-сигнала по полоса различных дальностей и допплеровских частот.
Четвертая глава содержит описание методов и результатов модельных расчетов обнаружительных и точностных -характеристик наземных и воздушных георадаров при решении таких задач как обнаружение карстовых зон, поиск линз подземных в засушливых регионах и грунтовых вод, изучение процессов подповерхностного загрязнения грунтов нефтепродуктами и контроль состояния подземных трубопроводов. Результаты расчетов сравниваются с результатами экспериментальных исследований. Формулируются требования к основным тактико-техническим характеристикам георадаров и устройствам географической привязки данных зондирования.
В заключении диссертации сформулированы ее основные результаты, указываются перспективные области практического применения системы природноресурсного и экологического мониторинга.
Объем диссертации. Общий объем диссертационной работы 141 страниц, из них 6 рисунков и 14таблиц.
Похожие диссертации на Оценка диагностических возможностей систем георадарного зондирования природных и природно-антропогенных объектов
