Содержание к диссертации
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ 9
ВВЕДЕНИЕ 15
ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ПОДПОВЕРХНОСТНОГО
ЗОНДИРОВАНИЯ. ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 17
Методы и средства зондирования 17
Излучение и распространение сигналов 26
Формирование и обработка ЛЧМ сигналов 32
Выводы. Постановка задач исследования 45
ГЛАВА 2. ГЕТЕРОДИННЫЙ МЕТОД ОБРАБОТКИ 47
Решаемые задачи 47
Сопоставление частотного и видеоимпульсного методов 48
Погрешности формирования закона ЧМ 52
Погрешности обработки сигнала разностной частоты 63
Выводы 72
ГЛАВА 3. ЧАСТОТНО-ВРЕМЕННОЙ МЕТОД ОБРАБОТКИ 73
Решаемые задачи 73
Частотно-временной метод обработки 74
Выбор параметров сигнала и схемы обработки 79
Анализ генетического и шаблонного алгоритмов минимизации ...88
Выводы 104
8
ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ РАЗДЕЛ 105
Цель и задачи 105
Техническая реализация макета георадара 106
Лабораторные испытания 112
Полевые испытания 120
Выводы 122
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 126
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 129
ПРИЛОЖЕНИЯ 142
A. Список ПРОГРАММ, ИСПОЛЬЗОВАННЫХ В РАСЧЕТАХ 142
Б. Фрагмент программно-математического обеспечения макета
ГЕОРАДАРА 144
B. Акты ОБ использовании результатов диссертации 146
9 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы
Радиотехнические методы определения внутренней структуры объектов находят применение в технике аэрокосмического зондирования, поиска полезных ископаемых, при технологическом контроле качества слоистых покрытий, при поиске скрытых объектов, при обследовании дорог, ледников и водоёмов, дистанционном разминировании территорий и т.д.
Значительный объём исследований был проведен в связи с дистанционным подповерхностным зондированием Земли с летательных аппаратов, а также при создании приборов промышленной дефектоскопии диэлектрических покрытий. Заметными толчками к развитию георадаров явились работы X. Ф. Хармута по сверхширокополосной радиолокации. Первые работы по идентификации структуры подповерхностной среды с использованием радиоимпульсного метода зондирования проводились под руководством М.И. Финкельштейна. Развитие методов подповерхностного зондирования за рубежом изложено в работе Д. Дж. Дениэлса. Последние достижения в этой области систематизированы в коллективной монографии под редакцией АЛО. Гринева. В настоящее время выпускаются серийные приборы подповерхностного зондирования Земли, основанные на использовании коротких радиоимпульсов с фиксированной средней частотой в диапазоне 25...1700 МГц. В них оценка структуры и параметров подповерхностных слоев на глубине от 1 до 30 м производится с применением оптимальных методов обработки. Однако, в этом направлении возникают технические ограничения по достижимым значениям пиковой мощности и длительности зондирующего импульса.
Перспективное направление развития теории и техники подповерхностного зондирования связано с применением сверхширокополосных сигналов со сложными законами угловой модуляции, позволяющих ослабить указанные ограничения. Основополагающими можно считать работы Ч. Кука и М. Бернфельда, Я. Д. Ширмана, Ю. Б. Кобзарева. Развитие теории и техники
10 ЧМ-высотомеров связано с работами А. С. Винницкого, А. И. Баскакова.
Систематизация накопленного опыта использования ЧМ сигналов представлена в работах В. Н. Кочемасова, Л. А. Белова, В. С. Оконешникова, В. И. Гомозова.
Установлено, что георадар должен быть специализирован для решения ограниченного круга задач. В настоящее время весьма актуальна задача неразрушающего контроля состояния дорожных покрытий. Ее решение с использованием ЛЧМ сигналов позволит внести вклад в развитие методов подповерхностного зондирования, используемых для прогноза и своевременного выявления дефектов дорожного полотна, что имеет существенное значение для экономики страны.
Цель работы
Анализ возможностей идентификации структуры слоев дорожного полотна на основе гетеродинного и частотно-временного методов обработки ЛЧМ радиоимпульсов.
Решаемые задачи:
сравнение потенциальных возможностей применения ЛЧМ сигналов и коротких видеоимпульсов для измерения толщин и электрофизических параметров слоев дорожного полотна;
анализ влияния погрешностей формирования закона ЧМ зондирующего сигнала и его гетеродинной обработки на точность измерения толщин слоев дорожного полотна, разрешающую способность по глубине и динамический диапазон входных сигналов георадара;
разработка частотно-временного метода восстановления спектральной зависимости коэффициента отражения дорожного полотна в полосе частот зондирующего ЛЧМ сигнала и рекомендаций по выбору параметров схемы обработки;
сравнение перспективных генетического и шаблонного алгоритмов минимизации функционала невязки применительно к задаче совместного
измерения толщин и электрофизических параметров слоев дорожного полотна;
5) экспериментальное изучение возможностей идентификации структуры слоев железнодорожного полотна на основе гетеродинной обработки ЛЧМ сигнала.
Методы исследования:
Для решения поставленных задач использовались численные методы прямого и обратного преобразований Фурье, имитационного моделирования, генетический и шаблонный алгоритмы минимизации целевого функционала, методы полиномиальной и гармонической аппроксимации, полных сопротивлений, мгновенной частоты, натурное моделирование и эксперимент.
Новые научные результаты:
разработан частотно-временной метод восстановления спектральной зависимости комплексного коэффициента отражения дорожного полотна в полосе частот зондирующего ЛЧМ сигнала;
произведено сопоставление генетического и шаблонного алгоритмов минимизации функционала невязки, применяемых для идентификации структуры слоев дорожного полотна, и установлены области их применимости;
предложена методика учета влияния погрешностей формирования закона ЧМ на разрешающую способность, динамический диапазон и точность измерения толщин слоев дорожного полотна на основе их полиномиальной или гармонической аппроксимации при гетеродинной обработке зондирующего сигнала;
произведена количественная оценка погрешностей гетеродинной обработки ЛЧМ сигнала, отраженного от неоднородностей, расположенных на глубинах менее его средней длины волны, и установлены временные ограничения частотного метода зондирования.
12 Практическая значимость результатов работы:
предложенный частотно-временной метод восстановления частотной зависимости коэффициента отражения подповерхностной среды, позволяет в десятки раз сократить время обработки по сравнению с методом дискретной перестройки частоты;
разработаны рекомендации по выбору параметров зондирующего сигнала и схемы его частотно-временной обработки, обеспечивающие измерение искомых параметров дорожного полотна с допустимой погрешностью;
методики учета влияния погрешностей формирования закона ЧМ и его гетеродинной обработки на точность измерения толщин слоев дорожного полотна, разрешающую способность и динамический диапазон дают возможность обосновать требования к узлам его формирования и обработки;
создан лабораторный вариант программно-математического обеспечения макета ЛЧМ георадара, с помощью которого проведено экспериментальное сопоставление различных способов обработки ЧМ сигнала в частотной области;
проведенные лабораторные и полевые испытания позволили установить причины ухудшения анализируемых характеристик макета ЛЧМ георадара по сравнению с потенциально достижимыми;
подготовлена учебная лабораторная работа для студентов и специалистов, изучающих методы подповерхностного зондирования.
Достоверность результатов работы:
подтверждается использованием различных аналитических способов оценки рассматриваемых характеристик георадара, апробацией предложенных методик на примерах, а также экспериментальной проверкой результатов расчета.
Положения, выносимые на защиту:
разработанная автором методика учета погрешностей формирования закона ЧМ позволяет оценить точность измерения глубины неоднород-ностей дорожного полотна, динамический диапазон и разрешающую способность по глубине при гетеродинной обработке зондирующего сигнала;
на глубинах менее средней длины волны гетеродинная обработка ЛЧМ сигналов характеризуется снижением разрешающей способности на 16% и точности измерения глубины неоднородностей на 20% по сравнению со своими предельными значениями, что обусловлено искажением спектральной плотности сигнала разностной частоты с малым числом периодов несущего колебания на интервале анализа;
применение частотно-временного метода восстановления спектральной зависимости коэффициента отражения дорожного полотна в полосе частот зондирующего ЛЧМ сигнала даёт возможность измерить толщины и электрофизические параметры его слоев с допустимой погрешностью;
в среднем интервале априорной неопределенности (около 50%) значений искомых параметров дорожного полотна генетический алгоритм обеспечивает не менее, чем на 10% меньшую погрешность измерения по сравнению с шаблонным алгоритмом минимизации функционала невязки.
Апробация результатов
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на десятой, одиннадцатой и двенадцатой научно-технических конференциях студентов и аспирантов «РАДИОЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА» (Москва, 2004-2006 гг.); на семинаре РНТРОРЭС имени А.С. Попова (март 2003 года); на научно-технической конференции «Сверхширокополосные сигналы и сверхкороткие импульсы в радиолокации, связи и акустике» РНТОРЭС имени А.С. Попова (Суздаль, 2005); на VIII международной научно-технической конференции «Волновая электроника и ее применения в телекоммуникационных системах» (Санкт - Петербург, 2005), на Всероссийской научно-технической конференции «Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике» (Муром, 2006).
14 Использование результатов работы
Результаты работы использованы в учебном процессе кафедр Формирования колебаний и сигналов и Радиотехнических приборов МЭИ (ТУ), а также в практической деятельности предприятия «Российский НИИ космического приборостроения», что подтверждено соответствующими актами.
Личный вклад автора
Автором разработан метод частотно-временной обработки ЛЧМ сигнала; даны рекомендации по выбору параметров предложенной схемы; проанализировано влияние погрешностей формирования и гетеродинной обработки ЛЧМ сигнала на точность измерения искомых параметров дорожного полотна; создан пакет программ для исследования различных методов обработки зондирующего ЧМ сигнала; разработано программно-математическое обеспечение для макета ЛЧМ георадара; проведены натурные испытания макета; разработаны рекомендации по созданию опытного образца ЛЧМ георадара;
Публикации
По теме диссертации автором опубликовано 10 печатных работ, в том числе 7 научных статей и текстов докладов, из них 3 без соавторов.
Объем и структура работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы из 121 наименования и 3 приложений. Работа изложена на 147 страницах, иллюстрирована 48 рисунками и содержит 6 таблиц.
Введение к работе
Подповерхностное зондирование [1-3] представляет собой важную промышленную задачу и подразумевает комплекс технических средств и методов идентификации структуры слоев земляного полотна, а также идентификацию локальных неоднородностей. Для подповерхностной радиолокации характерны два класса задач [3].
Первый класс - это структурные задачи, такие как: контроль состояния насыпных слоев дорожного полотна, предусмотренный государственным стандартом [4 - 6]. Дефицит пресных водоемов на планете предопределил интерес к изучению полярных ледников [1, 7]. Применение радиолокационных методов позволило точнее оценить внутреннее строение ледников, их толщину, определить наличие трещин и пустот, выявить особенности подледного рельефа. Удается также следить за состоянием ледников - температурой, движением отдельных слоев и ледника в целом, механическим напряжением и плотностью [7]. Для этого класса задач среда хорошо аппроксимируется набором плоских слоев с неизменными в пределах слоя электрофизическими параметрами. Информация об электрофизических свойствах среды может быть известна заранее, например, из строительной документации. Поэтому измерению подлежат, во-первых, количество и толщины слоев, а, во-вторых, их электрофизические параметры, определяющие качественный состав дорожного полотна. Зависимости этих параметров от глубины представляют собой профили параметров слоев земляного полотна по глубине. Качество идентификации структуры дорожного полотна при этом определяется точностью измерения толщин слоев, разрешающей способностью границ слоев и динамическим диапазоном входных сигналов.
Второй класс - это поиск и идентификация локальных неоднородностей [1 - 4, 8]. Актуальным является использование георадаров при дистанционном разминировании территорий [3, 9] и поиске людей под завалами. Известно использование георадаров для поиска мин на железнодорожном пути, в кладоискательстве и поиске строительных коммуникаций. В этом
случае размеры объекта могут быть соизмеримы с длиной волны, вследствие чего возникают особенности при решении задач обратного рассеяния. Используются модели неоднородной среды с цилиндрической, сферической и эллиптической неоднородностями, расположенными под углом к границе раздела слоев плоскослоистой среды. [3].
В настоящее время часто используется радиоимпульсный метод зондирования, основанный на обработке рассеянных в исследуемой среде коротких радиоимпульсов с малым числом периодов несущего колебания на длительности импульса [1 - 3]. Основными недостатками данного метода являются ограничение на пиковую мощность передатчика при высоких требованиях к разрешающей способности по глубине, а также необходимость использования математически некорректных алгоритмов инверсной фильтрации. Схема радиоимпульсного георадара усложняется за счет использования высоковольтного источника ударного возбуждения антенны, и стробоскопического преобразователя временного масштаба отраженного радиоимпульса, необходимого для его дальнейшей цифровой обработки.
Более перспективным для решения структурных задач представляется применение частотного метода зондирования с использованием сверхширокополосных импульсов с внутриимпульсной линейной частотной модуляцией (ЛЧМ) [1, 2, 10 - 18]. Обстоятельством, определяющим выбор ЛЧМ сигналов с большой девиацией и базой, является возможность снижения требований к пиковой мощности передатчика и повышения разрешающей способности георадара по глубине при достаточной глубине зондирования без сокращения длительности зондирующего импульса. Преимуществом данного метода является значительный опыт проектирования высокоточных устройств формирования и обработки сигналов с ЛЧМ [19 - 39].
Данное исследование ставит своей целью анализ возможностей идентификации структуры слоев дорожного полотна на основе гетеродинной обработки ЛЧМ радиоимпульсов, а также разработку метода мгновенной частоты применительно к этой задаче.
