Анализ характеристик подповерхностного радиолокатора в частотной области Крампульс, Андрей Юрьевич

Введение к работе

Актуальность темы

В настоящее время области применения подповерхностной радиолокации чрезвычайно многочисленны. Можно выделить два основных направления. Первое связано с поиском и прослеживанием различного рода объектов, локальных и протяженных. Это определение положения инженерных коммуникаций под землей, контроль состояния (неразрушающий контроль) дорожных покрытий, железнодорожных насыпей, мостов, стен зданий и других сооружений, упреждающее зондирование при проходке туннелей, использование георадара для археологических изысканий, поиска пустот, тайников, кладов, мин (в том числе диэлектрических). Второе направление связано с решением геологических и гидрогеологических задач. Это зондирование снежного покрова, пресных и соленых льдов, торфяников, определение границы

оттаивания вечной мерзлоты, геологического строения верхнего слоя земли, зондирование границ слоев и рудных тел из скважин (в том числе на больших глубинах до 3-5 км). Бурный рост интереса к подповерхностному зондированию в последнее десятилетие обусловлен как важностью его многочисленных применений, так и технологическими достижениями в электронике и микропроцессорной технике. Поэтому актуальным в настоящее время является построение моделей подповерхностного зондирования, адекватно описывающих его наиболее важные характеристики с использованием минимального количества параметров. Анализ влияния основных компонентов радиолокаторов подповерхностного зондирования и различных параметров проведения подповерхностных радиолокационных измерений позволяет выделить важнейшие из них, тем самым упростив модель, но сохранив возможность предсказывать характеристики обнаружения и разрешения подповерхностного радара для различных сред и объектов. Большинство работ, посвященных разработке таких моделей, сосредотачивает основное внимание на характеристиках антенн и дисперсионных свойствах среды.

Цель работы

Целью данной работы является построение в частотной области модели подповерхностного радиозондирования, не требующей значительных вычислительных мощностей, позволяющей судить не только об амплитуде отраженного объектом сигнала, но и его форме и длительности, то есть позволяющей получить представление о максимальной глубине зондирования и разрешающей способности, а также дать обоснование критерию для идентификации наблюдаемых объектов. Анализ дисперсионных свойств грунтов, частотных характеристик СШП антенн и построение простых моделей их электрических характеристик необходимы для обобщения результатов для широкого класса подповерхностных радиолокаторов, использующих антенны различных конструкций, различные виды модуляции, и работающих на различных поглощающих средах. Для построения адекватной модели требовалось исследовать частотные характеристики отражения объектов и введение их в данную модель, что может представлять дополнительные возможности для оценки влияния свойств объектов на характеристики обнаружения и разрешения радиолокатора и для различения объектов при анализе реальных данных подповерхностных радиолокационных измерений. Использование данных экспериментальных измерений при построении моделей частотных характеристик фунта и антенн, а также использование реальных результатов подповерхностного радиозондирования дает уверенность в том, что построенная модель подповерхностного

зондирования адекватно отражает работу реальных конструкций георадаров.

Научная новизна и основные положения, выносимые на защиту

1. На основании экспериментальных данных и теоретического анализа построена модель подповерхностного зондирования при использовании сверхширокополосных сигналов, учитывающая основные составляющие сквозного частотного тракта георадиолокатора: частотные характеристики антенн, дисперсионные свойства грунта и спектральные характеристики сигналов, отраженных характерными объектами.

2. В данной модели впервые проведен учет влияния частотных и поляризационных характеристик отражения объектов на характеристики обнаружения и разрешения радиолокатора, а также указаны критерии для идентификации отдельных классов объектов при анализе реальных данных подповерхностных радиолокационных измерений.

3. Впервые исследованы возможности модификации сквозного
тракта георадара (относительного смещения частотных диапазонов
излучающей и приемной антенн) с целью увеличения максимальной
глубины зондирования и улучшения разрешающей способности.
Установлены условия, при которых может быть достигнуто улучшение
характеристик обнаружения и разрешения георадара.

4. Впервые предложен метод оптимизации числа накоплений данных
при георадиолокационньгх измерениях, позволяющий достигнуть
уменьшения полного времени проведения измерения, при этом
значительно улучшив отношение сигнал/шум на заданном интервале
временных задержек.

Практическая ценность

Учет вклада частотных и поляризационных характеристик объектов представляет дополнительные возможности использования построенной модели для оценки влияния свойств объектов на характеристики обнаружения и разрешения радиолокатора и для идентификации объектов при анализе реальных данных подповерхностных радиолокационных измерений.

Установлены условия, при которых может быть достигнуто улучшение характеристик обнаружения и разрешения георадара при модификации его сквозного частотного тракта.

Предложенный метод оптимизации числа накоплений данных при георадиолокационных измерениях позволяет достигнуть уменьшения

полного времени проведения измерения, при этом значительно улучшив отношение сигнал/шум.

Полученные в диссертационной работе результаты использованы для усовершенствования георадаров, разработанных и изготовленных в МФТИ. Эти георадары были использованы в РосдорНИИ для оперативного контроля состояния автомагистралей (1996-2000 г.г.), ЗАО «Геологоразведка» для упреждающего контроля состояния грунта при проходке туннелей в г.Москве (1997-2000 г.г.) и для решения других инженерных задач.

Апробация работы

Материалы, изложенные в диссертационной работе, докладывались на следующих конференциях:

3. International Workshop on Advanced Electronics Technology, Moscow, 1995

4. XXXIX Научная конференция МФТИ, 1996

5. «Георадар в России», Геологический факультет МГУ, 1996

4.6^th International Conference on Ground Penetrating Radar, Sendai, Japan, 1996

5. XL Научная конференция МФТИ, 1997

6. LII Научная сессия РНТОРЭС им. А. С. Попова, 1997

7.7* International Conference on Ground Penetrating Radar, Lawrence, Kansas,

USA, 1998 (2 доклада) 8.4^th Annual Meeting of Environmental and Engineering Geophysics Society

(European section), Barcelona, Spain, 1998 (2 доклада) 9.4^th International Symposium of SEGJ, Tokyo, Japan, 1999

10. LIV Научная сессия РНТОРЭС им. А. С. Попова, 1999

11. 5^th Annual Meeting of Environmental and Engineering Geophysics Society (European section), Budapest, Hungary, 1999

12. «Георадар в России-2000», Геологический факультет МГУ, 2000(2 доклада)

13. 8th International Conference on Ground Penetrating Radar, Gold Coast, Australia, 2000 (3 доклада)

14. SPIE International Conference on Subsurface Sensing Technologies and Applications, San Diego, California, USA, 2000

Публикации

По результатам диссертации опубликовано 6 печатных работ.

1. Крампульс А. Ю., Чубинский Н. П. Моделирование отражения от диэлектрического слоя в поглощающем полупространстве // Междуведомственный сборник МФТИ «Проблемы распространения и дифракции электромагнитных волн», Москва, 1995, с. 81-84

2. Крампульс А. Ю., Чубинский Н. П. Экспериментальное исследование характеристик широкополосных щелевых антенн, работающих на границе полупространства с потерями // Междуведомственный сборник МФТИ «Проблемы дифракции и распространения электромагнитных волн», ISBN 5-7417-0053-5, Москва, 1996, с.38-50

3. Крампульс А. Ю., Чубинский Н. П. Пространственное разрешение при подповерхностной радиолокации // Междуведомственный сборник МФТИ «Радиофизические методы обработки сигналов», Москва, 1996

4. Крампульс А. Ю., Чубинский Н. П. Оптимизация числа накопления данных в приемнике георадара со стробоскопическим преобразователем //Радиотехника и электроника, 1998,том 43,№11, с. 1331-1335

5. Крампульс А. Ю., Чубинский Н. П. Анализ возможных модификаций частотного тракта георадара // Радиотехника и электроника, 2000, том 45, №9, с. 1037-1046

6. Крампульс А. Ю., Чубинский Н. П. Выбор частотного диапазона георадиолокатора для обнаружения диэлектрических мин в грунтах и строительных конструкциях // Электронная техника. Серия СВЧ-техника, вып. 2 (476), 2000, с. 69-71

Структура и объем работы

Диссертация состоит из четырех глав и заключения. Работа изложена на 111 страницах и содержит 84 рисунка. В конце работы приведен список цитируемой литературы из 53 наименований.

Похожие диссертации на Анализ характеристик подповерхностного радиолокатора в частотной области

Нелокальный анализ неустойчивости в области ионосферы средних широтАллабердиев, Гурбангелди Аллабердиевич

Анализ характеристик обнаружения многомерных сигналов на основе обобщенного отношения максимального правдоподобия в случае коротких выборок Болховская Олеся Викторовна

Электродинамический анализ характеристик излучения и рассеяния решеток плоских волноводовПривалова Татьяна Юрьевна

Методы анализа и оптимизации многосигнальных характеристик усилительных устройств ВЧ и СВЧ диапазонаМымрикова, Нина Николаевна

Исследование нестационарных низкоамплитудных кардиосигналов на основе анализа их статистических и спектральных характеристикМамедова, Лола Энверовна

Анализ и синтез импедансных поверхностей с заданными характеристиками излучения и рассеянияЮханов Александр Юрьевич

Совместный анализ оптических и СВЧ радиометрических дистанционных данных для изучения гидрофизических характеристик океанаЕрмаков Дмитрий Михайлович

Анализ генерационно-рекомбинационных и туннельно-рекомбинационных процессов в областях пространственного заряда сложных полупроводниковых структур по экспериментальным вольтамперным характеристикамЕрмаков, Михаил Сергеевич

Анализ областей несмешиваемости квазибинарных твердых растворов III-V и II-VI группЧеремухина Ирина Анатольевна

Исследование координационного окружения атомов металлов в цеолитах и силикатных стеклах с помощью фурье-трансформационного анализа околопороговой области рентгеновских спектров поглощенияЛатоха Яна Валерьевна