Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Использование метода георадиолокации для диагностики объектов инженерной инфраструктуры 18
1.1. Метод георадиолокации 18
1.2. Физические основы метода георадиолокации 21
1.3. Преимущества метода георадиолокации 28
1.4. Область применения метода георадиолокации 31
1.5. Обратная задача георадиолокации 34
1.6. Прямая задача георадиолокации 35
ГЛАВА 2. Моделирование антенного блока георадара 37
2.1. Компьютерная модель антенного блока АБ-1200 37
2.2. Моделирование импульса 41
2.3. Расчет характеристик АБ-1200 48
2.4. Расчет и оптимизация рупора для АБ-1200 51
2.5. Частотные характеристики АБ-1200 с рупором 57
2.6. Основные результаты Главы 2 61
ГЛАВА 3. Распространение электромагнитного излучения в продольно-слоистых средах 62
3.1. Распространение электромагнитного излучения в среде с затуханием 63
3.2. Описание компьютерной модели 67
3.3. Расчет теоретических радарограмм 69
3.4. Влияние влажности и засоленности среды на радарограммы 73
3.5. Моделирование сред с аномалиями 80
3.6. Оценка применимости метода георадиолокации в конкретных геологических условиях 83
3.7. Основные результаты Главы 3 87
ГЛАВА 4. Распространение электромагнитного излучения в средах с влажностью 88
4.1. Моделирование распространения излучения во влажной среде 88
4.1.1. Расчет электропроводности воды 90
4.1.2. Выбор диэлектрической проницаемости воды 92
4.1.3. Зависимость затухания сигнала от влажности среды 95
4.2. Количественные характеристики радарограмм 98
4.2.1. Относительная отражательная способность 98
4.2.2. Определение влажности среды 102
4.2.3. Средневзвешенная частота 105
4.2.4. Оценка информативности амплитудных и частотных характеристик радарограммы 107
4.2.5. Методика определения загрязненности щебня 108
4.3. Основные выводы Главы 4 110
ГЛАВА 5. Обнаружение инородных объектов в грунте методом георадиолокации 111
5.1. Изучение зависимости интенсивности регистрируемого сигнала от направления излучения 111
5.2. Изучение зависимости интенсивности сигнала от высоты подъема антенн над грунтом 116
5.3. Программный комплекс автоматической локализации инородных объектов в грунте 120
5.3.1. Программа «Railway-1.0» 120
5.3.2. Описание интерфейса программы «Railway-1.0» 121
5.3.3. Визуализация данных и выполнение вычислений 126
5.4. Устройство обнаружения инородных объектов 134
5.5. Основные выводы Главы 5 136
Заключение 137
Список литературы 139
Приложение
- Преимущества метода георадиолокации
- Расчет и оптимизация рупора для АБ-1200
- Влияние влажности и засоленности среды на радарограммы
- Количественные характеристики радарограмм
Введение к работе
Диссертация посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию процессов распространения электромагнитного излучения в многослойных неоднородных грунтовых средах на основе метода георадиолокации [1].
Актуальность темы исследований. Физические и геофизические методы исследования многослойных неоднородных сред (грунтов) находят в последнее время все более широкое применение в технике. Это связано в первую очередь с тем, что применяемые сегодня разрушающие методы (пенетрация, отбор проб грунтов бурением и т.д.) не позволяют получать информацию об обследуемой среде в нужном объеме и сопряжены со значительными временными, трудовыми и материальными затратами.
Практически значимые результаты можно получить, используя эти методы совместно с методами неразрушающего контроля: георадиолокация, сейсморазведка, электроразведка и т.п.
Георадиолокационный метод обследования [1,2] имеет ряд преимуществ
перед отмеченными выше геофизическими методами в скорости,
экономичности и эффективности использования. Однако, не смотря на
очевидную привлекательность использования метода георадиолокации [2, 3],
существуют и проблемы применения данного метода. Главная трудность
заключается в том, что при использовании серийной георадиолокационной
аппаратуры в условиях сложной инфраструктуры возникает ряд трудностей при
интерпретации получаемой информации, связанных с помехами различной
природы [4], а также особенностями распространения волн в грунтовых средах
с аномалиями [5]. В связи с этим разработка методов количественной
интерпретации, а также дальнейшее совершенствование аппаратуры для работы
в указанных условиях является актуальной задачей. Кроме того, метод
георадиолокационного зондирования относительно молодой и его теория все
еще не сформирована в необходимом объеме. Для достоверной
количественной интерпретации георадиолокационных данных необходимо уточнять теоретическое описание механизмов распространения импульсов электромагнитного излучения в грунте, особенности отражений от объектов, влияние влажности и других свойств среды.
Таким образом, представляется актуальным исследование особенностей использования метода георадиолокации в условиях развитой инженерной
инфраструктуры, механизмов формирования отраженных сигналов в многослойных неоднородных средах с аномальными областями. Результаты таких исследований повысят эффективность и достоверность решения конкретных прикладных задач методом подпочвенного зондирования.
С практической точки зрения актуальность выполненных исследований связана с разработкой требований к аппаратуре и методов ее конструирования для георадиолокационного обследования объектов сложной инженерной инфраструктуры. Кроме того, на основе георадиолокационного метода создан и апробирован программно-аппаратный комплекс для диагностики дорожных путей и поиска инородных объектов, включая взрывные устройства.
Целью работы является исследование влияния электрофизических свойств среды на результаты георадиолокационной диагностики объектов инженерной инфраструктуры.
Для достижения поставленной цели в диссертации решены следующие научные задачи:
Исследование влияния электрофизических свойств среды на характеристики радарограмм.
Решение прямой задачи георадиолокации для оценки возможности применения метода при решении задач диагностики инженерных объектов.
Разработка метода и аппаратуры для обнаружения инородных объектов, маскированных в грунте.
Расчет и конструирование антенных блоков георадаров с заданными электрофизическими свойствами для применения в условиях сложной инженерной инфраструктуры.
Научная новизна работы. В работе впервые:
исследован характер влияния электрофизических свойств среды и ее аномальных зон на радарограммы;
разработан метод количественной оценки свойств грунтовых сред по отраженному сигналу;
оценены возможности метода георадиолокации при диагностике инженерных объектов решением прямой задачи георадиолокации;
разработаны методика и аппаратура для обнаружения инородных объектов, маскированных в грунте, путем сравнения радарограмм и выявления на них аномальных участков;
разработаны требования к аппаратуре для обследования объектов инженерной инфраструктуры.
Основные результаты и положения, выносимые на защиту.
Теоретическое исследование затухания электромагнитного излучения в средах с различными электрофизическими свойствами для оценки применимости метода георадиолокации.
Метод количественного определения электрофизических характеристик продольно-слоистых сред в скоростном режиме обследования.
Метод обнаружения инородных объектов в однородных слоистых средах, адаптированный для применения на железнодорожном пути.
Оборудование с заданными физическими параметрами для применения в условиях сложной инженерной инфраструктуры.
Достоверность полученных результатов определяется использованием при теоретических исследованиях современных надежно разработанных представлений волновой теории электромагнитного излучения [6], современных методов вычислений и обработки данных, библиотек апробированных компьютерных алгоритмов.
Все теоретические выводы и полученные на их основе результаты подтверждались лабораторными и натурными проверками и испытаниями.
Научная и практическая значимость работы заключается в выработке критериев возможности применения метода георадиолокации к решению практических задач; создании методов количественной обработки результатов георадиолокационных измерений.
На основе полученных в работе научных результатов созданы неразрушающие методы определения засоренности щебеночных балластов и подсчета числа деформаций земляного полотна железнодорожного пути. Эти методы используются на объектах Северо-Кавказской и Горьковской железных дорог в процессе текущего содержания, капитальных ремонтов и реконструкций железнодорожного пути, контроля проведенных ремонтно-восстановительных работ (имеется Акт внедрения).
Разработанный метод обследования грунтов лег в основу создания прототипа радиоуправляемого самоходного устройства для обнаружения аномальных зон и инородных объектов в продольно-слоистых средах.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены на: девятой всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы защиты и безопасности» в 2006 году, г. Санкт-Петербург; третьей научно-технической конференции с международным участием «Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации железнодорожного пути» в 2006 году, г. Москва; второй, третьей, четвертой и пятой международной научно-практической конференции «Инженерная и рудная геофизика» в 2006-2009 годах, г. Геленджик; третьей всероссийской конференции «Радиолокация и радиосвязь» в 2009 году, г. Москва.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 16 печатных работ, включающих 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК для публикации материалов кандидатской диссертации, 1 статья в зарубежном журнале, 11 публикаций в сборниках научных трудов и тезисов конференций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и двух приложений. Основное содержание диссертации изложено на 160 страницах машинописного текста, содержит 88 рисунков и 8 таблиц. Список литературы включает 95 наименований.
Преимущества метода георадиолокации
Метода георадиолокационного (георадарного) зондирования является одним из наиболее перспективных и динамичных направлений развития геофизических исследований. По сравнению с другими геофизическими методами диагностики продольно-слоистых структур он является наиболее информативным методом. Это связано в первую очередь с высокой скоростью получения достоверной и качественной информации. Преимуществами данного метода также являются высокая разрешающая способность, а также простота использования и экономичность. Кроме того, георадарное методы изысканий, что позволяет выявить тонкую структуру строения разреза. На рис. 1.6 и 1.7 представлена наглядная иллюстрация преимущества использования георадарного зондирования по сравнению с методами отборов проб грунтов и бурения на примере изучения строения приповерхностной части геологической среды. Сравнение полученных данных для двух различных методов позволяет сделать вывод о том, что метод георадарного зондирования дает более детальную картину геологической структуры исследуемой среды. получение непрерывной информации продольного или поперечного профиля обследуемой грунтовой среды; высокая производительность и оперативность получения информации; возможность обследование большого объема в продольном профиле при отрыве антенного блока от поверхности (бесконтактная диагностика); получение необходимого качества съемки за счет варьирования антенных блоков с требуемой рабочей частотой в зависимости от решаемой задачи: достижение наибольшей глубинности, увеличение разрешающей способности; невозможность определения физико-механических свойств без комплексирования с другими методами (например, привязка к скважинам бурения); неоднозначность распознавания образов; слабая помехозащищенность в условиях сложной инженерной инфраструктуры; ограничения в глубинности из-за помех от инфраструктуры. Все задачи, решаемые с помощью георадара, могут быть разделены на две большие группы с характерными для каждой методиками исследований, способами обработки, типами отражения объектов исследования в поле электромагнитных волн и представлениями результата. картирование геологических структур - восстановление геометрии относительно протяжённых границ, поверхности коренных пород под рыхлыми осадками, уровня грунтовых вод, границ между слоями с различной степенью водонасыщения, поиск месторождений строительных материалов; определение свойств зондирование требует минимума пространства для развертывания необходимой аппаратуры, что зачастую является существенным преимуществом при его использовании в условиях плотной городской и промышленной застройки. Метод, основанный на георадарном зондировании, даёт возможность детально исследовать подповерхностную структуру грунтов или техногенных конструкций, существенно уменьшая расходы на бурение контрольно-измерительных скважин.
При этом разрешающая способность по пространственным координатам, получаемая в данном методе, существенно превосходит существующие геофизические методы изысканий, что позволяет выявить тонкую структуру строения разреза. На рис. 1.6 и 1.7 представлена наглядная иллюстрация преимущества использования георадарного зондирования по сравнению с методами отборов проб грунтов и бурения на примере изучения строения приповерхностной части геологической среды. Сравнение полученных данных для двух различных методов позволяет сделать вывод о том, что метод георадарного зондирования дает более детальную картину геологической структуры исследуемой среды. получение непрерывной информации продольного или поперечного профиля обследуемой грунтовой среды; высокая производительность и оперативность получения информации; возможность обследование большого объема в продольном профиле при отрыве антенного блока от поверхности (бесконтактная диагностика); получение необходимого качества съемки за счет варьирования антенных блоков с требуемой рабочей частотой в зависимости от решаемой задачи: достижение наибольшей глубинности, увеличение разрешающей способности; невозможность определения физико-механических свойств без комплексирования с другими методами (например, привязка к скважинам бурения); неоднозначность распознавания образов; слабая помехозащищенность в условиях сложной инженерной инфраструктуры; ограничения в глубинности из-за помех от инфраструктуры. Все задачи, решаемые с помощью георадара, могут быть разделены на две большие группы с характерными для каждой методиками исследований, способами обработки, типами отражения объектов исследования в поле электромагнитных волн и представлениями результата. картирование геологических структур - восстановление геометрии относительно протяжённых границ, поверхности коренных пород под рыхлыми осадками, уровня грунтовых вод, границ между слоями с различной степенью водонасыщения, поиск месторождений строительных материалов; определение свойств различных отложений по скорости распространения электромагнитных волн, опираясь на связь этих свойств с диэлектрической проницаемостью пород; определение толщины ледяного покрова; определение мощности водного слоя и картирование поддонных отложений; определение мощности зоны сезонного промерзания, оконтуривание областей вечной мерзлоты, таликов. трубопроводов; кабелей; участков разреза с нарушенным естественным залеганием грунта -рекультивированных земель, засыпанных выемок; погребенных отходов и захоронений; подземных выработок, подвалов, карстовых и суффозионных провалов;
Расчет и оптимизация рупора для АБ-1200
Для решения задачи увеличения разрешающей способности антенны, экранирования помех, обусловленных эксплуатацией антенн георадара в условиях сложной инженерной инфраструктуры, а также повышения глубинности обследования, рассчитана и оптимизирована конструкция пирамидального рупора [72] для данного антенного блока АБ-1200. Выбор пирамидального рупора обусловлен несколькими причинами: - рупорные антенны широкополосные; - обеспечивают хорошее затухание задних лепестков; - простота конструкции; - улучшенные направленные свойства. Рассмотрена произвольная конструкция пирамидального рупора с геометрическими размерами, соответствующими длине волны на частоте 1200 МГц с соответствующей длиной волны X = 25 см. Построена и рассчитана компьютерная модель, состоящая из антенного блока АБ-1200 с рабочей частотой 1.2 ГГц и пирамидального рупора. Электрофизические свойства материалов, из которых изготовлены антенны и рупор, соответствуют свойствам меди. Выполнена серия теоретических расчетов данной модели и получены зависимости КУ от параметров оптимизации, которые представлены на рис. Анализ полученных графических результатов позволяет сделать следующие выводы. Из рис. 2.156 видно, что зависимость КУ антенны от глубины резонатора d носит периодический характер. Из соображений минимизации габаритов антенного устройства значение данного параметра соответствует первому максимуму на соответствующем графике. Для параметра / получено оптимальное значение АЛ 6. Угол раскрыва а рупора влияет на его фокусирующие свойства и принят равным 45. Увеличение высоты раскрыва рупора h приводит к монотонному росту КУ антенны (рис. 2.15в). Значение параметра h принято равным А/2.
Таким образом, полученный после оптимизации рупор показан на рис. 2.16 в двух сечениях с указанием размеров, использованных при его построении. Использование пирамидального рупора с антенным блоком АБ-1200 оказывает влияние на его основные рабочие характеристики, такие как диаграмма направленности и коэффициент усиления. Выполненные теоретические расчеты рупорной антенной системы позволяют оценить количественно и качественно имеющие место изменения указанных характеристик (ДН и КУ). Результаты этих расчетов приводятся нарис. 2.17 и 2.18. рупора и поставлен эксперимент. Проведено сравнение полученных экспериментальных данных с результатами теоретических расчетов. Диаграммы направленности для антенного блока АБ-1200 с рупором, рассчитанные теоретически (сплошная линия) и экспериментально (штриховая линия) показаны на рис. 2.19. При построении ДН на рисунке 2.19, проведена нормировка величины сигналов в единицах масштаба для случая антенны без рупора. Видно, что здесь также имеет место хорошее согласие теории и эксперимента. Сравнение данных, приведенных на рис. 2.13 и 2.19, позволяет сделать вывод о том, что использование пирамидального рупора приводит к росту коэффициента усиления антенны более чем в два раза (теория - в 2.1 раза, эксперимент - в 2.2 раза). ДН полученной антенны с пирамидальным рупором становится более узконаправленной (ширина главного лепестка ДН уменьшилась до 60). Теоретическое значение затухания заднего лепестка ДН составляет 20 дБ. Использование рупора с антенным блоком АБ-1200 также отразилось на разрешающей способности прибора. Эффект повышения разрешающей способности проявляется на георадарограммах. Так на рис. 2.20 приведены радарограммы, полученные от полотна железнодорожного пути при использовании антенного блока АБ-1200 (А) и антенного блока, оснащенного рупором (Б). Видно, что использование рупора с антенным блоком, кроме описанного изменения коэффициента усиления и диаграммы направленности антенного блока, приводит также к росту разрешающей способности прибора. Действительно, на рис. 2.20Б линии синфазности заметно тоньше, чем на рис. 2.20А и лучше деталировка изображения трубы, расположенной в теле земляного полотна на глубине примерно 60 см. Рост разрешающей способности объясняется тем, что использование рупора влечет за собой сдвиг средневзвешенной частоты спектра используемого импульса излучения в более коротковолновую область.Частотные характеристики антенного блока и влияние рупора на средневзвешенную частоту частотного спектра рассматриваются более подробно в следующем разделе главы.
Влияние влажности и засоленности среды на радарограммы
При проведении георадиолокационных обследований необходимо обеспечивать достаточную глубинность зондирования грунтовой среды. Данная характеристика во многом определяется электрофизическими свойствами грунта, его влажностью и засоленностью. Влажность и засоленность среды можно характеризовать наличием носителей зарядов в среде, т.е. проводимостью. Здесь минерализация воды и типы солей могут оказывать различное влияние на затухание излученной электромагнитной волны. Проведены расчеты, связанные с изучением влияния указанных характеристик среды на параметры получаемых радарограмм: глубинность, контрастность, частотный спектр. Влажность среды распространения ЭМИ характеризуется изменением электропроводности а и тангенса угла диэлектрических потерь tgd. Засоленность среды можно характеризовать концентрацией носителей, которые определяют электропроводные свойства. Для оценки влияния минерализации воды на затухание электромагнитного излучения проведены измерения суммы абсолютных значений напряженности импульсного электрического поля Е в приемной антенне георадара Е при различной концентрации соли (Q NaCl в воде по формуле где /(/,) - точки трассы георадиолокационного обследования. Для решения поставленной задачи выполнен расчет компьютерной модели антенного блока георадара, размещенного на грунте, рассмотренной выше. Для проверки результатов теоретических расчетов проведен эксперимент. Результаты выполненных измерений и теоретических расчетов для различной концентрации соли С приведены в таблице 3.2. На основе данных, приведенных в таблице 3.2 построены графики теоретической (сплошная линия) и экспериментальной (штриховая линия) зависимостей ЕЕ от концентрации соли С. Видно, что незначительное увеличение засоленности среды приводит к резкому затуханию сигнала и может заметно снизить глубинность георадиолокационного обследования. Далее проведено теоретическое исследование влияния влажности среды на характеристики получаемых радарограмм: глубинность, контрастность, частотный спектр сигнала. Для этого выполнена серия аналогичных расчетов, позволяющих восстановить радарограммы, получаемые при перемещении антенн над песком с различной влажностью, вмещающем металлический объект. Влажность среды определяется изменением объемного содержания воды в песке и отражалась на значениях параметров є, а и tgS. Значения исходных параметров, использованных в расчете, приведены в таблице 3.3 и получены с использованием следующих формульных соотношений: где єп и єв - диэлектрические проницаемости песка и воды; Мп и Мв - массы песка и воды; ап и ав - электропроводность песка и воды; tgS -тангенс угла диэлектрических потерь;/- рабочая частота антенного блока if = 1,2 ГГц); с - массовое содержание воды в песке в процентах.
На основании полученных данных построены радарограммы, соответствующие разным значениям влажности песка, которые приводятся нарис. 3.7. Из рис. 3.7 видно, что отличие полученных радарограмм заключается в растягивании линий синфазности, что обусловлено уменьшением скорости распространения зондирующего импульса в среде по мере роста влажности (среда с повышением влажности становится оптически более плотной для бегущей электромагнитной волны). Значения процентного содержания воды в песке указаны на рисунке. Экспериментальные наблюдения позволяют проверить достоверность проведенных теоретических исследований влияния влажности на радарограммы. На рис. 3.8 приведены волновые картины и соответствующие им трассы, полученные для речного песка различной влажности и захороненного в нем на глубине 1 метр металлического листа, моделирующего границу раздела сред. Видно, что увеличение влажности среды приводит к затуханию излучения и, как следствие, к уменьшению контрастности изображения металлического листа. соответствующие им трассы, полученные для этой же физической модели при естественной влажности песка на частоте зондирования 400 МГц и 1200 МГц. Видно, что рост частоты излучения приводит к уменьшению возможной глубины зондирования. Данные, приведенные на рис. 3.8 и рис. 3.9, получены вычитанием из экспериментальных волновых картин сигнала прямой помехи и позволяют сделать вывод о существенной зависимости волновых картин от влажности среды и частоты зондирования. Для модели с пластиковой трубой также исследована зависимость свойств радарограмм от увлажненности среды. Аналогично предыдущим расчетам для влажности среды с металлическим объектом получены радарограммы для модели песка с пластиковой трубой для разных значений влажности песка. На рис. 3.10 приведены соответствующие результаты теоретических расчетов. Как видно из рис. 3.10 характер зависимости качества радарограмм от влажности для случая песочного куба с пластиковым объектом остается схожим с предыдущим случаем для металлической трубы. Однако, следует отметить, что на близких значениях є вмещающей среды и инородного объекта (4% на рис. ЗЛО), обнаружение последнего становится затруднительным по причине ухудшения контрастности. Таким образом, изучение влияния таких факторов среды как засоленность и влажность на характеристики получаемых радарограмм (контрастность, глубинность и др.) может позволить оценивать возможности метода георадиолокации при решении частных геофизических задач в конкретных геологических условиях.
Количественные характеристики радарограмм
Среди возможных параметров для анализа георадиолокационной информации используются частота и интенсивность рассеянного средой сигнала. Для анализа свойств среды по отраженному сигналу нами предложено две количественные характеристики: относительная отражательная способность - как амплитудная характеристика - и средневзвешенная частота - частотная характеристика. Распространяясь в среде, импульс электромагнитного излучения затухает. Рассеянное излучение может частично достигать приемной антенны, в результате чего на ее входных цепях наводится напряжение U = U(t), несущее информацию о рассеивающей среде [3]. После его программно-аппаратной обработки формируется георадиолокационная трасса, представляющая собой экспериментальный сигнал, пропорциональный алгебраическому значению напряжения на активном сопротивлении входных цепей от времени (рис. 4.7, сплошная линия). Назовем отражательной способностью слоя грунта (2т) интегральную характеристику, определенную суммированием значений георадиолокационной трассы {F(t)) за время tm, которое требуется импульсу электромагнитного излучения для того, чтобы пройти сквозь слой: Введем относительную отражательную способность выделенного слоя грунта соотношением: где Е,„ - относительная отражательная способность, за начало отсчета времени выбран момент пересечения фронтом импульса электромагнитного излучения верхней границы исследуемого грунтового слоя. Для квазиоднородного грунта, например щебеночных или песчаных слоев, формирующих железнодорожный путь, трасса (рис. 4.7) может быть представлена в виде: где /(О - сигнал в отсутствии затухания, а - коэффициент, характеризующий затухание в данной среде. Модулирующая экспонента из (4) при а = 0,3 приведена на рис. 4.7 штриховой линией. Применяя к функции f{t) обратное синус-преобразование Фурье [89-90], получим: Тогда трасса F(f) примет вид Таким образом, для определения относительной отражательной способности необходимо вычислить выражение: где f(co) и /(c) соответственно спектральные функции сигнала от среды и сигнала от исследуемого слоя.
Рассмотрим случай, когда функция /(/) из (4) близка по форме к синусоиде с частотой со0. В этом случае спектральное распределение в (5) можно представить в виде f(a ) = / 5((0-ео0), где 8 - обобщенная дельта-функция Дирака [91]. Одновременно с этим, сигнал от исследуемого слоя ограничен во времени и будет характеризоваться другим спектральным распределением. Предположим, что для этого слоя также справедливо представление: / (со) = Д 5(со - со0). Тогда (6) принимает вид: Проводя вычисления в (7) имеем: Выражение (8) при параметрах С = 1, а = 0,3 с"1 и w0 = 2nv, где v = 1700 МГц, полученных для георадиолокационной трассы, изображенной на рис. 4.7, приведено на рис. 4.8 сплошной линией. Начальная фаза # 0 выбрана из условия a 0t + р0 = 0 в момент времени, когда трасса (рис. 4.7) начинает регистрироваться приемной аппаратурой. На этом же рисунке штриховой линией приведены результаты расчета по формуле (6) для случая, когда спектральные функции f(co) и f{co) аппроксимированы функциями Гаусса [91] с шириной на половине высоты, равной а = 600 МГц. Это значение получено для сигнала, представленного на рис. 4.7. Видно, что поведение относительной отражательной способности носит осциллирующий характер. Это затрудняет использование выражений (6) и (8) в инженерных методиках. Переопределим отражательную способность Sm слоя грунта интегрированием абсолютных значений точек трассы F(t). Тогда выражения (3) и (6) примут вид: Предполагая интервал времени [0, tm] достаточно большим, усредним sin(u 0/ + ?0) и, после выполнения вычислений, имеем: Выражение (9) при использованных выше значениях параметров С, а и coQ приведено на рис. 4.8 пунктирной линией. Видно, что в данном случае удается избежать осциллирующего характера в определении относительной отражательной способности и обеспечить монотонную сходимость к асимптотическому значению. В работе исследована связь относительной отражательной способности с влажностью среды (W). Для этого проведены теоретические расчеты и экспериментальные измерения указанных величин для речного песка с влажностью, равной 0%, 5%, 10% и 15%. Теоретические исследования выполнены методом компьютерного моделирования. Компьютерная модель включает антенный блок георадара с частотой 1700 МГц (приемная и передающая антенны), расположенный вблизи грунта с заданными электрофизическими свойствами, соответствующими речному песку с указанными выше значениями влажности. При расчетах относительной отражательной способности использовано выражение (9). блока и грунта в процессе обработки теоретических и экспериментальных данных с помощью программного пакета «Georailway» [15] из трасс вычтен сигнал прямого прохождения, полученный заранее при регистрации сигнала, излучаемого антенным блоком в верхнюю полуплоскость. Соответствующие зависимости относительной отражательной способности грунта от его влажности приведены на рис. 4.9. Видно, что полученные теоретическая и экспериментальная кривые h = 0 см находятся в хорошем согласии. Анализ результатов аппроксимации полученных зависимостей относительной отражательной способности от влажности простыми функциями (прямая, парабола, гипербола и экспонента) показал, что максимальная точность достигается при использовании функции вида meop =A-Be aW, соответствующей выражению (9).
При этом отличие коэффициентов и В составляет порядка 10%. Рассмотрены также случаи, когда антенный блок располагался над поверхностью грунта на высотах 6 см и 12 см. В процессе обработки экспериментальных данных из регистрируемых сигналов F(t), помимо вычитания сигнала прямого прохождения, вычитался сигнал, отраженный от верхней границы грунта. В работе форма этого сигнала принята совпадающей с формой сигнала прямого прохождения. Полученные зависимости относительной отражательной способности для h=6 см и /г=12 см также представлены на рис.4.9. Видно, что при подъеме антенн над поверхностью грунта относительная отражательная способность Е„, имеет экспоненциальный вид. Анализ результатов, приведенных на рис. 4.9, позволяет сделать вывод о том, что после подъема антенн над поверхностью грунта на 6 см заметно изменение электрической связи антенной системы с грунтом. Дальнейшее увеличение высоты подъема не оказывает заметного влияния на свойства антенной системы. Модельные представления и полученное на их основе выражение (9) хорошо согласуются с экспериментом по определению относительной отражательной способности. В связи с этим, на основе выражения (9) для заданной высоты подъема антенного блока над поверхностью грунта можно строить систему градуировочных кривых, позволяющих по относительной отражательной способности оценивать коэффициент затухания электромагнитного излучения. Эта информация, в свою очередь, востребована при определении загрязнения балласта железных дорог в режиме реального времени при известной его влажности [35, 92]. Количественная оценка влияния влажности среды распространения ЭМИ на получаемые радарограммы проведена путем анализа частотного спектра пришедшего из среды сигнала (рис. 4.10). Регистрируемый приемной антенной сигнал/( подвергался обработке прямым Фурье-преобразованием [89]
Похожие диссертации на Исследование влияния электрофизических свойств среды на результаты георадиолокационной диагностики объектов инженерной инфраструктуры
