Введение к работе
Актуальность темы. Радиофизические методы исследования широко используются при контроле состояния земных покровов, слоистых покрытий, при обследовании дорог, при обнаружении грунтовых вод, при разминировании и т.д.
В последние годы оформилась в качестве самостоятельного научного направления новая отрасль радиотехники - подповерхностная радиолокация (ПРЛ), которая становится важным инструментом при дистанционном зондировании земных покровов. Интерес к радиолокационному подповерхностному зондированию (ПЗ) и область его применения расширяются. Значительное число публикаций, посвященных дистанционному ПЗ и созданию серийных георадаров, как в России, так и в зарубежных странах показывают, что теория и техника радиолокационного ПЗ достигли серьезного уровня развития.
Первые работы по зондированию подповерхностных сред импульсными георадарами проводились в РИИГА (Рижский институт инженеров гражданской авиации) под руководством М. И. Финкелыптейна. Развитие ПРЛ в зарубежных странах изложено в работе Д. Дж. Дениелса. Также в коллективной монографии под редакцией А. Ю. Гринева рассмотрены последние достижения в этой области и в настоящее время выпускаемые георадары. Созданы и продолжают создаваться и совершенствоваться алгоритмы обработки георадиолокационных измерений, их сбора и отображения. Ведущими фирмами, занимающимися производством георадаров в настоящее время, являются GSSI (Geophysical Survey Systems Inc., Нью Гемпшир, США), Sensor and Software Inc. (Канада), Era Technology (Великобритания) и MALA (Швеция), Radar Systems (Латвия), OYO Corporation (Япония), Geozondas (Литва). В России георадары выпускают ОАО НИИП имени В.В. Тихомирова, ООО «Логис», СКБ ИРЭ РАН и др.
Известно, что априорная неопределенность об электрофизических (ЭФ) характеристиках грунта может привести к погрешностям в определении
глубины при зондировании. Вертикальная и пространственная неоднородность комплексной диэлектрической проницаемости грунта , также ее частотная, сезонная и географическая зависимость приводит к большим трудностям при решении задачи георадиолокации. Для радиоволновой диагностики состояния и свойств таких сред необходимо учитывать пространственное распределение є. Данные о профильном распределении є можно получить либо из априорных данных, либо используя приближенные теоретические модели, либо экспериментально.
Экспериментальные методы могут дать более качественные данные о є, но имеют существенное ограничение из-за того, что в реальной среде на значение є влияет не только состав вещества, но и климатические условия, неоднородность грунта и т.п.
Чтобы обойти трудности, возникающие при активном ПЗ в диссертации предложено использовать совместно с активным пассивные методы радиолокации. В пассивной радиолокации температура радиотеплового излучения (РТИ) зависит от состояния и состава почвы, а также от ее ЭФ параметров. Обратной задачей при этом является определение ЭФ характеристик среды по известным (измеренным) параметрам ее РТИ. Пассивные радиофизические методы исследования земных покровов исследованы достаточно подробно и изложены в работах А. Е. Башаринова, Н. А. Арманда, В. В. Богородского, А. М. Шутко и др.
В настоящей работе поставлена задача исследования возможности использования активно-пассивного зондирования для ПРЛ. Использование активно-пассивных радиолокационных систем в метеорологии, в картографировании и т.п. известно и оправдано улучшением информации о зондируемом объекте, а также повышением достоверности и точности. Сведения о применении активного метода зондирования совместно с пассивной радиолокацией в ПЗ не встречаются в Российских и зарубежных публикациях. Таким образом, актуальность данной работы проявляется в исследовании принципов комплексной работы активного и пассивного
радиофизических методов в ПЗ с целью обеспечения дополнительной информации для повышения точности измерений толщины слоя и глубины залегания объекта, также в комплексировании каналов приема для формирования точного подповерхностного профиля грунта путем совместной обработки отраженных сигналов от границ слоев грунта и сигналов собственного РТИ слоистых земных покровов. Повышение информативности заключается, например, в определении влажности грунта и уточнении его диэлектрической проницаемости (ДП).
Исходя из этого, можно определить цель данной диссертационной работы.
Цель работы: исследование совместного использования активного и пассивного метода радиолокационного зондирования для повышения информативности и точности результатов измерений в георадиолокации путем комплексирования ЛЧМ георадара с радиометром.
Исходя из поставленной в диссертации цели, вытекает необходимость решения следующих основных задач:
Исследование работы георадара с ЛЧМ сигналом, формирование ЛЧМ сигнала и его обработка. Оценка требуемого потенциала георадара для обнаружения объектов в различных грунтах.
Моделирование широкополосной антенны «bow-tie» георадара и оценка влияния характеристик среды на структуру ее электрического поля.
Оценка погрешности в определении глубины залегания объекта или толщины слоя из-за априорной неизвестности значений ДП в многослойных средах.
Определение ДП грунта методом пассивной радиолокации на основе различных электродинамических (ЭД) моделей.
Исследование принципов комплексной обработки рассеянных полей и полей собственного излучения.
6. Моделирование работы георадара с помощью системы автоматизированного проектирования (САПР) и исследование активно-пассивной радиолокационной системы для ПРЛ.
Для решения поставленных задач использованы следующие методы исследования: статистическая теория радиолокации и радиотехники, радиофизика, теория СВЧ и антенн, системы автоматизированного проектирования (САПР) Labview (фирма National Instruments), HFSS (фирма Anson).
Научная новизна результатов:
Рассчитан и проверен на компьютерной модели требуемый энергетический потенциал георадара на основе различных моделей грунта, в том числе и с учетом мешающего действия структурного шума.
Впервые рассчитана количественная оценка погрешностей определения глубины залегания объекта в грунте из-за априорной неопределенности ЭФ характеристик грунта или ошибочного выбора их значения. А исходя из разрешающей способности ARC сигнала в грунте, предложена методика оценки необходимой точности определения ДП грунта.
Предложена методика определения структур ЭД модели грунта с помощью взаимодействия активной и пассивной системы георадиолокации для уточнения глубины залегания объектов в грунте.
Впервые предложено комплексирование активной радиолокационной системы ПЗ с пассивной радиометрией, позволившее повысить информативность георадара и точность результатов измерений. Достоверность результатов обеспечивается использованием
общепринятых ЭД моделей грунта и проведением математического и компьютерного моделирования, подтвердившего теоретические положения диссертационной работы.
На защиту выносятся теоретические обоснования возможности и целесообразности практического применения метода радиолокации
частотно-модулированными сигналами для ПЗ слоистых земных покровов и разработка вопросов технической реализации ЛЧМ георадара, а также комплексирование приемного тракта георадара с радиометрическим приемником для повышения информативности георадара с возможностью определения ЭФ характеристик грунта и его структуры и состояния для повышения точности определения глубины залегания подповерхностных объектов.
Практическая значимость результатов работы:
Рассчитанные зависимости требуемого потенциала георадара позволяют выбрать оптимальный динамический диапазон георадара для различных грунтов, также и мощность передатчика с учетом затухания сигнала в грунте, в том числе и при наличии структурного шума.
Разработана частотно-независимая антенна «bow-tie» с помощью САПР и рассчитаны частотные и излучательные характеристики антенны, при расчете установлено, что чем ближе антенна к земной поверхности, тем лучше ее характеристики, что подтверждается также данными из литературы.
Разработан георадар, комплексированный с радиометром, что позволяет повысить информативность при зондировании, выбрать подходящую ЭД модель грунта и рассчитать его электрофизические характеристики, а кроме того, получить новую полезную информацию, например, влажность грунта.
Подготовлена и внедрена в учебный процесс новая учебная лабораторная работа под названием «Исследование характеристик георадара с ЛЧМ сигналом» для студентов по специальностям «Радиофизика и электроника» и «Радиоэлектронные системы».
Апробация результатов Основные результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и были одобрены на четырнадцатой, пятнадцатой и шестнадцатой международных научно-технических конференциях студентов
и аспирантов «Радиоэлектроника, Электротехника и Энергетика», Москва, МЭИ, 2008 - 2010 гг.; на 52-й научной конференции МФТИ, Москва, Долгопрудный, 2009 г; на XX юбилейной научно-технической конференции НИИП им. В. В. Тихомирова, г. Жуковский, Моск. обл. март 2010 г.; на III Всероссийской научной конференции «Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике - СРСА 2010». Проблемы дистанционного зондирования, распространения и дифракции радиоволн. Муромский филиал ВлГУ, июнь 2010.
Лично соискателем получены следующие результаты: предложена функциональная схема георадара и рассчитан требуемый энергетический потенциал с учетом мешающего действия структурного шума, рассчитана количественная оценка погрешности определения глубины залегания объектов из-за априорной неизвестности электрофизических характеристик грунта, предложено совместное использование активного и пассивного радиофизического метода подповерхностного зондирования для повышения эффективности, информативности и точности при активном подповерхностном зондировании с целью решения обратных задач георадиолокации, проведено моделирование широкополосной антенны «bow-tie» для ЛЧМ георадара с помощью программного обеспечения и рассмотрено влияние подстилающей поверхности на характеристики антенны, проведено моделирование работы георадара в Lab VIEW, также радиотеплового сигнала для однородного грунта.
Публикации
По теме диссертации автором опубликовано 10 статей и тезисов докладов, 2 статьи из них в рекомендованных ВАК журналах (Вестник МЭИ, электронный журнал «Радиоэлектроника» ИРЭ РАН).
Объем и структура работы.
