Введение к работе
Актуальность темы. Одной из важнейших задач коммунального хозяйства является обнаружение подземных трасс трубопроводов различного назначения, кабельных магистралей и регистрация их в специальных кадастрах. Также не решена проблема, с которой человечество вошло в третье тысячелетие - обнаружение скрытых захоронений промышленных отходов. Особенно острой данная проблема стала в связи с дефолтом 1998 года и кризисом в 2008 году. Захоронение на свалках считается наиболее экономичным методом удаления вредных промышленных отходов, чем и пользовались многие предприятия для снижения затрат. Часто такие свалки организовывались несанкционированно, в ближайших лесах.
За последние более чем 30 лет решены фундаментальные вопросы теории переноса излучения в атмосфере, созданы высокочувствительные радары для обнаружения и идентификации скрытых под земной поверхностью объектов. В задачи их применения входят: обнаружение закопанных труб и кабелей, обнаружение неразорвавшихся снарядов, а также военное и гражданское разминирование.
Значительный вклад в разработку методов мониторинга укрывающих сред и обнаружения скрытых в них объектов внесли Г. Н. Щербаков, А. В. Ковалев, М. А. Анцилевич, А. Н. Тихонов, М. Н. Бердичевский, О. Р. Никитин, Р. О. Харгер, К. Сарабанди, Г. С. Агарвал, К. А. Накви, С. А. А. Ризви. Выполненные исследования показывают принципиальную возможность методов мониторинга земной поверхности.
Возможности обнаружения некоторых захороненных объектов сильно снижаются из-за низкого диэлектрического контраста между данными объектами и фоном почвы. Это особенно ощущается на пластиковых и асбестоцементных трубах, а также кабелях. Для увеличения вероятности правильного обнаружения без увеличения ложных тревог, для идентификации обнаруживаемых объектов должны применяться признаки, которые являются характерными для интересующих нас объектов. Один из таких параметров - это электромагнитный (ЭМ) доплеровский спектр сигнала, рассеянного от механически вибрирующего объекта. Использование оборудования, основанного на вышеуказанном принципе, повышает возможности систем обнаружения.
В данной работе поставлена задача разработки новых организационно-технических решений, позволяющих повысить эффективность систем обнаружения и идентификации объектов, находящихся в укрывающих средах и принятие на этой основе управляющих решений по поддержанию заданного уровня безопасности персонала и окружающего населения
Объектом исследования является радиосистема обнаружения скрытых под землей тонкостенных объектов.
Предметом исследования является метод обнаружения объектов в укрывающих средах, основанный на взаимном использовании электромагнитных и акустических волн.
Цель диссертационной работы - разработка методологии построения и использования радиотехнического комплекса обнаружения тонкостенных металлических и диэлектрических объектов, находящихся в укрывающих средах.
Для разработки системы обнаружения скрытых объектов электромагнитно-акустическим методом требуется решение следующих задач:
- разработка электродинамической модели падающих и рассеянных полей
в задачах дистанционного зондирования природных сред и укрытых в них
тонкостенных цилиндрических объектах;
- математическое моделирование и экспериментальные исследования
рассеянного объектами мониторинга доплеровского поля;
- обоснование выбора структуры комплекса обнаружения и параметров СВЧ и НЧ трактов;
- разработка методики и рекомендаций по использованию и построению комплексов идентификации и дискриминации на основе совместного использования электромагнитного и акустического полей.
Методы исследования. Решение поставленных задач проводилось на основе методов электродинамики, системного анализа, теории вероятности, моделирования и экспериментальных исследований с использованием новых информационных технологий получения знаний об объектах поиска.
Научная новизна результатов заключается в том, что:
Разработана электродинамическая модель рассеянных полей, несущих информацию о доплеровских спектральных составляющих в задачах зондирования природных сред электромагнитно-акустическим методом.
Разработана структурная организация радиотехнического комплекса обнаружения скрытых объектов (РКОСО) и определены его метрологические характеристики.
Разработан научно-методический аппарат, позволяющий обосновать принимаемые решения по обнаружению скрытых тонкостенных объектов, основанные на анализе спектра электромагнитного колебания, рассеянного акустически возмущенным объектом поиска с использованием РКОСО.
Практическая значимость результатов работы заключается в следующем:
1. На основе метрологического анализа РКОСО, в зависимости от параметров и скорости движения измерительного комплекса, построена библиотека математических и экспериментальных моделей для различных скрытых объектов, что является базой для построения методики идентификации обнаруженных скрытых тонкостенных объектов. Показано, что использование данного комплекса позволяет повысить разрешающую способность для тонкостенных объектов (труб, кабелей) на 33% по отношению к существующим РКОСО при аналогичной глубине обнаружения.
Разработаны рекомендации по применению РКОСО для проведения поиска и идентификации тонкостенных объектов, находящихся в укрывающих средах.
Возможности поиска труб и кабелей повышаются вдвое за счет способности обнаружения как металлических, так и неметаллических объектов.
Результаты, выносимые на защиту:
Электродинамическая модель полей, рассеянных от акустически возмущенного объекта в задачах зондирования природных сред.
Методика обнаружения скрытых объектов, основанная на анализе электромагнитного доплеровского поля, рассеянного объектом поиска.
3. Методика и рекомендации по построению радиотехнического
комплекса обнаружения скрытых объектов и определение его метрологических
характеристик в зависимости от технических параметров и динамики движения
по укрывающей поверхности.
Реализация и внедрение результатов диссертации. Результаты исследований использовались в виде математических моделей и алгоритмических средств при разработке проекта комплекса обнаружения скрытых объектов в ОАО «Владимирское конструкторское бюро радиосвязи».
Материалы работы использованы в учебном процессе ВлГУ кафедрой Радиотехники и Радиосистем для специальностей 210301 «Радиофизика и электроника» и 210302 «Радиотехника», направления 210400 «Радиотехника».
Апробация диссертационной работы проведена в форме научных докладов и дискуссий по основным результатам диссертационных исследований на следующих конференциях и семинарах:
VII международной научно-технической конференции «Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии ФРЭМЭ'2008», Владимир, 2008г;
III и V научно-технических конференциях аспирантов и молодых ученых «Вооружение. Технология. Безопасность. Управление.» Ковров: КГТА, 2008 и 2009 гг.;
II Всероссийском научно-практическом семинаре «Прикладные вопросы формирования и обработки сигналов в радиолокации, связи и акустике», Муром, 2010г.
Публикации по работе. По теме диссертации опубликовано 7 научных работ, включая статью в издании, входящем в перечень ВАК и получено одно положительное решение о выдаче патента на полезную модель.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка литературы, насчитывающего 111 наименований. Работа изложена на 150 страницах и содержит 42 рисунка и 5 таблиц.
