Введение к работе
Актуальность темы. При эксплуатации подземных коммуникаций, обеспечении безопасности, в археологии, геологии, медицине и других областях деятельности человека возникает необходимость поиска и анализа объектов в недоступном для визуального наблюдения пространстве. Для этого используются ультразвуковой, рентгеновский, магниторезонансный, вихретоковый, радиотепловой и прочие неразрушающие методы. Однако все они имеют различного рода ограничения и не позволяют решить ряд практически важных задач дистанционной диагностики.
Перспективным направлением решения некоторых из этих задач является использование статических магнитных полей для визуализации внутреннего содержания пространства. Постоянное магнитное поле экологически безопасно, легко проникает через непрозрачные тела, в том числе и металлические неферромагнитные. Магнитное поле можно использовать как для внешнего «просвечивания» пространства, так и для наблюдения источников магнитного поля или источников искажения магнитного поля внутри пространства, в которое невозможен непосредственный доступ.
В настоящее время существует большое количество теоретических исследований задачи магнитного обнаружения объектов, а также практически реализованных средств. Значительный вклад в развитие методов и средств магнитного поиска внесли отечественные и зарубежные ученые: А. А. Абакумов, В. В. Аверкиев, В. И. Гуменюк-Сычевский, Б. Гуффин, В. Ф. Жирков, С. И. Касаткин, П. Кнеппо, А. М. Муравьёв, И. В. Недайвода, П. А. Поляков, М. А. Примин, Р. Б. Семевский, В. Г. Семёнов, Б. М. Смирнов, И. В. Терещенко, Л. Титомир, В. А. Черепенин, Г. Н. Щербаков, В. А. Яроцкий и др.
Несмотря на разнообразие средств магнитного поиска объектов для всех них характерны следующие качественные показатели:
определение только одной или двух координат объекта;
точность определения координат сравнима с расстоянием от приёмной антенны поискового прибора до объекта;
требуется механическое сканирование антенны.
Совершенствование вычислительной техники и численных методов,
а также магниточувствительных датчиков позволяет развивать трёхмерную магнитную локацию, т. е. определение координат источника магнитных возмущений в пространстве на основе дистанционного анализа магнитных полей. Во многих ситуациях
одновременно ставится задача определения магнитных характеристик источника.
Известны теоретические работы, направленные на определение трёх координат объекта локации с высокой точностью. Однако решения имеют существенные ограничения технической реализации и требуют специфических условий использования приборов, что снижает их практическую применимость.
Таким образом, представляются актуальными исследования, направленные на разработку метода трёхмерной магнитной локации объектов для решения практических задач, среди которых можно выделить следующие:
определение координат объектов, недоступных для непосредственного наблюдения;
бесконтактное обнаружение и оценка дефектов в различных конструкциях из ферромагнитных материалов;
неразрушающий поиск инородных металлических предметов;
определение местоположения магнитного зонда во внутренних органах человека.
В данной работе рассматриваются вопросы создания компьютерного метода обработки информационных сигналов, описывающих магнитное поле удалённого объекта, и разработке на его основе портативного устройства трёхмерной магнитной локации.
Цель и задачи работы. Целью является разработка метода определения в трёхмерном пространстве координат и вектора дипольного момента магнитного объекта на основе компьютерной обработки данных измерений вектора индукции магнитного поля в конечном множестве точек, расположенных на удалённой от объекта плоскости, для устройства, работающего в реальном времени с учётом помех и практически достижимых погрешностей.
Для достижения этой цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:
Анализ существующих методов обработки данных для средств магнитного поиска и магнитной локации ферромагнитных объектов;
Разработка метода обработки данных для трёхмерной локации источников магнитных полей на фоне магнитного поля Земли и индустриальных помех с учётом погрешностей измерительного оборудования;
Создание алгоритмов, реализующих предложенный метод для
устройства трёхмерной магнитной локации;
Реализация эффективных методов цифровой обработки данных в реальном времени;
Разработка программного обеспечения устройства трёхмерной магнитной локации;
Экспериментальное исследование предложенного метода и разработанного макета устройства трёхмерной магнитной локации.
Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:
Разработан метод, впервые позволяющий на фоне магнитного поля Земли и индустриальных помех с учётом погрешностей измерительного оборудования определять в трёхмерном пространстве координаты и дипольный момент объекта в реальном времени на основании обработки данных измерений значений проекций вектора магнитной индукции в нескольких точках пространства на удалении от объекта;
Обосновано местоположение точек измерения вектора индукции магнитного поля на плоскости. Определено оптимальное количество точек измерения для наиболее точного и быстрого решения задачи трёхмерной магнитной локации;
Установлена зависимость точности определения координат искомого объекта от погрешности исходной информации, связанной с разбросом магниточувствительности и неточным позиционированием датчиков относительно друг друга;
Разработаны программно-аппаратные средства для выделения сигнала лоцируемого объекта на фоне индустриальных помех, магнитного поля Земли и посторонних источников магнитного поля.
Практическая значимость результатов работы заключается в возможности создания на их основе портативных систем трёхмерной магнитной локации широкого применения. В частности, научно-технические результаты диссертации использованы при разработке, испытании и внедрении двух модификаций магнитного локатора:
для дистанционного обнаружения предметов потенциальной террористической угрозы;
для дистанционной диагностики трубопроводов в полевых условиях.
Достоверность полученных результатов подтверждается как
данными экспериментальных исследований макетных образцов, так и практической работой приборов, в которых использованы предложенные в диссертационной работе алгоритмы и технические решения. Теоретические исследования, проведённые в данной работе, базируются на фундаментальных положениях теории численных методов, математической статистики, цифровой обработки сигналов. Моделирование выполнено средствами программных пакетов ANSYS и MATLAB.
Личный вклад автора. Все основные положения и результаты, изложенные в диссертационной работе, получены автором лично. Наиболее важными из них являются:
обоснование путей решения задачи магнитной локации с выявлением их достоинств и недостатков;
разработка метода решения задачи трёхмерной магнитной локации в реальном времени;
создание программного обеспечения, реализующего предложенный метод;
внедрение алгоритмов для устройств поиска предметов потенциальной террористической угрозы и диагностики подземных коммуникаций.
Автор диссертации принимал активное участие в практической реализации макета устройства трёхмерной магнитной локации, разработке конструкторской документации, методики испытаний и проведении работ по внедрению магнитных локаторов в местах их эксплуатации.
Внедрение результатов работы. Разработанные алгоритмы, программное обеспечение и макетные образцы использованы в:
ГУ «Научно-производственный комплекс «Технологический центр» Московского государственного института электронной техники» при создании системы локации предметов потенциальной террористической угрозы;
ООО HI 111 «Техносфера-МЛ» при разработке серийно выпускаемого программно-аппаратного комплекса диагностики подземных трубопроводов;
ОАО «Юго-Запад транснефтепродукт» для диагностики магистрального нефтепродуктопровода;
ОАО «Трансаммиак» для диагностики магистрального аммиакопровода.
Положения, выносимые на защиту:
Предложенный метод анализа и обработки данных для устройства трёхмерной магнитной локации позволяет определить пространственное положение объекта и его магнитный момент на основе данных о векторе магнитного поля в точках плоскости, удалённой от объекта;
Предложенный алгоритм решения обратной задачи магнитостатики обеспечивает определение в реальном времени координат и магнитного момента объекта на фоне магнитного поля Земли и при наличии индустриальных помех;
Полученные зависимости влияния погрешности исходной информации на точность результатов решения обратной задачи магнитостатики определяют требования к конструктивным особенностям основных элементов устройства трёхмерной магнитной локации, обеспечивающие необходимую точность искомых координат объекта;
Разработанное программное обеспечение позволяет реализовать предложенный метод для устройства трёхмерной магнитной локации;
Результаты экспериментальной проверки работы макетного образца и результаты промышленного внедрения доказывают работоспособность предложенного метода.
Апробация работы. Основные научные и практические результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на семи научно-технических конференциях:
Десятая Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика», г. Москва, Московский государственный институт электронной техники, 2003 г.;
XVI научно-техническая конференция с участием зарубежных специалистов «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления», Украина, г. Судак, 2004 г.;
12-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика», г. Москва, Московский государственный институт электронной техники, 2005 г.;
V международная научно-техническая конференция «Электроника и информатика», г. Москва, Московский государственный институт электронной техники, 2005 г.;
13-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика», г. Москва, Московский государственный институт электронной техники, 2006 г.;
Итоговая конференция по результатам выполнения мероприятий за 2007 год в рамках приоритетного направления «Живые системы» ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы», г. Москва, Институт молекулярной биологии им. В. А. Энгельгардта РАН, 2007 г.
Международная научно-техническая конференция «Микроэлектроника и наноинженерия», г. Москва, Московский государственный институт электронной техники, 2008 г.
Доклад на 13-й Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика» отмечен дипломом 1-й степени в секции «Информационно-управляющие и вычислительные приборы и системы».
Макетные образцы магнитного локатора были представлены:
на 58-ой Международной выставке «Идеи-изобретения-инновации» IENA - 2006, Германия, г. Нюрнберг. Получена Золотая медаль и грамота за изобретение: Y. Grigorashvili, A. Bukhlin, A. Stepanov, R. Karpov, V. Mingazin. Device for Detection of Local Defects in Conductive Bodies;
на 8-м Международном форуме «Высокие технологии XXI века», г. Москва, 2007 г. Получена Золотая медаль за разработку устройства, предназначенного для неразрушающего контроля дефектов в металлических предметах, дистанционного определения координат металлического предмета;
на 10-м Международном салоне промышленной собственности «Архимед - 2007», г. Москва. Получен диплом.
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 12 научных работах, из них 1 патент РФ, 1 свидетельство РФ о государственной регистрации программы для ЭВМ, 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, 2 доклада в трудах научно-технических конференций и 5 тезисов докладов.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения,
пяти разделов, заключения, списка использованных источников и двух приложений. Содержит 145 страниц машинописного текста, 39 рисунков, 6 таблиц, 82 использованных источника.
