Введение к работе
Актуальность работы. Особенности распространения электромагнитных волн в геосредах широко используют при создании устройств для решения фундаментальных задач горного дела. Одним из актуальных направлений является обнаружение различного рода аномалий с помощью электромагнитных методов (индукционного, магнитометрического, радиолокационного, радиопросвечивания и т.п.). С помощью таких методов можно получить информацию о наличии объектов (например, коммуникаций, трубопроводов, строительной арматуры, бурильного оборудования и т.п.), расстоянии до них и по возможности определить материал, из которого изготовлен объект поиска (далее ОП). Поэтому возникает необходимость в создании компактных, помехоустойчивых систем обнаружения.
В связи с тем, что в последние годы широкое распространение получил бестраншейный способ прокладки подземных коммуникаций с помощью специальных машин - пневмопробойников, актуальным стал вопрос определения координат движущихся подземных объектов. Существующие зарубежные и отечественные системы определения координат подземного технического устройства не обеспечивают достаточную дальность, вследствие работы по магнитной компоненте электромагнитного поля, и достоверность определения местоположения, а также помехоустойчивость по отношению к коммуникациям и металлическим объектам, из-за работы в низкочастотной области (единицы-десятки кГц). Использование ультракоротковолнового (УКВ) диапазона повысит помехоустойчивость систем обнаружения, упростит конструкцию, сделает ее компактной, улучшит энергетические показатели, а работа по электрической компоненте электромагнитного поля - повысит дальность метода обнаружения движущегося пневмопробойника в грунте (т.к. электрическая компонента элек-
„ Е тромагнитного поля связана с магнитной компонентой соотношением: Н = —,
где Z - сопротивление среды).
Целью диссертационной работы является разработка методов обнаружения движущихся проводящих ОП в непроводящих и слабопроводящих средах, а так же выбор оптимальных методов обнаружения для решения конкретных задач.
Идея работы состоит в использовании УКВ диапазона (десятки МГц) для повышения помехоустойчивости и чувствительности индукционного метода обнаружения токопроводящих объектов, метода обнаружения и определения пространственной ориентации движущегося пневмопробойника в грунте, а
4 также использование движущихся подземных объектов в качестве антенн простейшего типа для получения приемлемых для обнаружения характеристик.
Объект исследования - геосреда с движущимися в ней токопроводящими ОП.
Предмет исследований - характер и закономерности взаимодействия проводящего ОП с системой обнаружения.
Задачи исследований:
для метода радиопросвечивания определить плотность потока мощности в точке приема, создаваемую изотропным излучателем, расположенным в массиве горных пород. Обеспечить учет зависимости электромагнитных свойств горных пород от рабочей частоты передатчика;
рассчитать основные параметры индукционного датчика (индуктивность, дальность обнаружения) при его работе в УКВ диапазоне на небольших дальностях (< А/4, где X - длинна волны) при размерах объекта, соизмеримых с размерами датчика;
разработать варианты практической реализации индукционного обнаружителя металлических тел в УКВ диапазоне, провести экспериментальные исследования его чувствительности и дальности обнаружения эталонных металлических объектов;
разработать и реализовать метод обнаружения и определения пространственной ориентации пневмопробойника, движущегося горизонтально в однородной среде, при минимальных вмешательствах в его конструкцию;
практически проверить заявленные преимущества предлагаемых методов.
Методы исследований. В работе применен комплексный подход, включающий: научный анализ и обобщение опыта; сопоставление теоретических и экспериментальных исследований индукционного метода обнаружения в УКВ диапазоне; математическое моделирование и экспериментальное исследование диаграммы направленности модели пневмопробойника; опытная проверка разработанного метода определения пространственной ориентации пневмопробойника в горизонтальной плоскости в грунте.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
повышение рабочей частоты до УКВ диапазона улучшает конструктивные характеристики (вес, габариты) и чувствительность индукционной измерительной системы;
для излучающей антенны, расположенной в грунте, появление дополнительных лепестков и сближение основных лепестков диаграммы направленности, уровень которых оценивается по половинной мощности и зависит от элек-
5 тромагнитных свойств горных пород, происходит на более низкой частоте, чем для воздушной среды, что повышает разрешающую способность по углу при реализации систем обнаружения подземных объектов;
3) использование метода пеленгации для создания системы обнаружения и определения пространственной ориентации движущегося пневмопробойника позволит более точно отслеживать его координаты в грунте.
Достоверность научных положений подтверждается сходимостью теоретических, экспериментальных лабораторных и натурных данных, полученных с помощью современных методов исследований в реальных условиях.
Научная новизна диссертации:
разработаны методики расчета параметров индукционного датчика для обнаружения металлических объектов соизмеримых с размерами датчика, в непроводящей среде для УКВ диапазона электромагнитных волн;
установлено, что при реализации индукционного метода обнаружения в УКВ диапазоне упрощается конструкция системы обнаружения за счет объединения каналов приема/передачи, повышается чувствительность системы;
разработан и обоснован метод радиопросвечивания для определения пространственной ориентации пневмопробойника в горизонтальной плоскости в грунте, при котором пневмопробойник используется в качестве передающей антенны простейшего типа.
Личный вклад автора. Диссертационная работа выполнена автором по результатам исследований, в которых она принимала непосредственное участие: при проведении теоретических расчетов и экспериментальных работ, математическом моделировании с использованием современных компьютерных программ.
Практическая ценность работы:
предложена реализация индукционного метода обнаружения токопрово-дящих ОП в УКВ диапазоне, а так же варианты практического исполнения индукционного обнаружителя металлических тел;
разработан и реализован метод, позволяющий отслеживать курс движения пневмопробойника в горизонтальной плоскости в грунте, использование данного метода позволит расширить возможности применения пневмопробой-ников.
Реализация результатов работы: создан опытный образец индукционного датчика, экспериментально исследовано его взаимодействие с эталонными металлическими объектами; создано оборудование, а именно: приемное устройство, генератор, модель передающей антенны - несимметричного вибратора для измерения диаграммы направленности модели пневмопробойника в грунте.
Проведены его полевые испытания. Для контроля работоспособности генератора, подключенного к передающей антенне, и для измерения диаграммы направленности модели пневмопробойника в воздухе был изготовлен индикатор электрической компоненты электромагнитного поля.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на Всероссийских научно-технических конференциях: «Информационная безопасность в системе высшей школы» (г. Новосибирск, 2000), «Рдултовские научные чтения» (г. Санкт-Петербург, 2003), «Вооружение, безопасность, конверсия» (г. Пенза, 2004), «Наука. Промышленность. Оборона» (19-21 апреля 2006, г. Новосибирск); Международных конференциях: «Proceeding of a Second IASTED International Multi-Conference on Automation, control and information technology» (ACIT 2005, г. Новосибирск), «Радиолокация, навигация, связь» (г. Воронеж, 2004), «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (г. Новосибирск, 2006); научном симпозиуме «Неделя Горняка 2005» (г. Москва); часть работы является лауреатом конкурса молодежных проектов им. М.А. Лаврентьева (2006-2007 г.) и конкурса «Лучшие аспиранты РАН 2006 года».
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 14 печатных работ, в том числе два патента РФ на изобретение.
Объем и структура работы. Диссертация изложена на 153 страницах и состоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемой литературы из 90 наименований. Диссертация содержит 53 рисунка, 33 таблицы.
Автор благодарен своему научному руководителю член-корреспонденту РАН, д.ф-м.н. В.Н. Опарину за помощь в выборе темы работы и проведении исследований, за требовательность к работе, выражает признательность своим учителям Беланову Б.Е. и д.т.н. Легкому В.Н. за щедрость, с которой они делятся своим опытом и практическими знаниями, помощь и внимание к работе, а также сотрудникам лаборатории механизации горных работ ИГД СО РАН за обсуждение работы, в особенности к.т.н. И.В. Тищенко за отзывчивость и помощь в подготовке и проведении экспериментов.
