Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор технологий дистанционного мониторинга железнодорожных насыпей. Определение круга научных задач 13
1.1 Современное состояние железнодорожного транспорта 13
1.2 Технические проблемы железнодорожного транспорта 16
1.3 Средства мониторинга железнодорожного пути 20
1.4 Радиотехнический метод 27
1.4.1 Практика использования радиотехнических комплексов за рубежом 30
1.4.2 Основные требования к радиотехническому комплексу 33
ГЛАВА 2. Выбор вида зондирующего сигнала и способа его формирования для радиотехнического комплекса 36
2.1 Свойства сверхширокополосных сигналов 36
2.2 Требования к формирователю зондирующих импульсов для радиотехнического комплекса 39
2.2.1 Влияние параметров сигналов на характеристики радиотехнического комплекса 39
2.2.2 Влияние электрических характеристик зондируемых сред на выбор зондирующего сигнала 41
2.2.3 Выбор вида зондирующего сигнала 43
2.2.4 Коэффициент полезного действия импульсных антенн 45
2.2.5 Спектральные характеристики импульсов возбуждения...48
2.2.6 Особенности согласования формирователя импульсов с антенной 62
2.2.7 Определение требований к формирователю импульсов .65
2.3 Формирователи импульсов для радиотехнического комплекса.. 68
2.3.1 Формирователи импульсов на диодах с резким восстановлением 70
2.3.2 Формирователи импульсов с диодными обострителями .73
2.3.3 Формирователи импульсов на лавинных транзисторах 75
Выводы по главе 2 85
ГЛАВА 3. Исследование путей создания импульсных антенн радиотехнического комплекса 86
3.1 Общие требования к антеннам радиотехнического комплекса 86
3.2 Подходы к проектированию антенных устройств 92
3.3 Узкополосные, сверхширокополосные и импульсные антенны...95
3.4 Общие особенности проектирования сверхширокополосных и импульсных антенн 100
3.5 Возможность использования сверхширокополосных антенн в качестве импульсных 108
3.6 Возможность использования наиболее известных типов импульсных антенн 109
3.6.1 ТЕМ-рупорные антенны 110
3.6.2 Дипольные антенны 114
3.7 Импульсная антенна для радиотехнического комплекса 120
3.7.1 Выбор варианта импульсной антенны 120
3.7.2 Результаты математического моделирования 122
3.7.3 Экспериментальные результаты.
Методика эксперимента 124
Выводы по главе 3 134
ГЛАВА 4. Алгоритмы обработки сигналов радиотехнического комплекса 135
4.1 Известные методы обработки сигналов и возможность их использования в радиотехническом комплексе 135
4.2 Технические требования, предъявляемые к алгоритмам обработки сигналов радиотехнического комплекса 137
4.3 Особенности обработки сигналов радиотехнического комплекса 138
4.3.1 Выбор способа визуализации регистрируемых сигналов... 140
4.3.2 Алгоритм обработки « вычитание среднего» 143
4.3.3 Алгоритм обработки «горизонтальная фильтрация» 144
4.3.4 Алгоритм обработки «обратная фильтрация» 145
4.3.5 Алгоритм обработки «подавление переотражений» 148
4.4 Выработка оптимального автоматического алгоритма анализа радарограмм 149
Выводы по главе 4 155
ГЛАВА 5 Результаты внедрения радиотехнического мониторинга 156
Заключение 163
Список используемой литературы 169
Приложение 177
- Технические проблемы железнодорожного транспорта
- Требования к формирователю зондирующих импульсов для радиотехнического комплекса
- Подходы к проектированию антенных устройств
- Технические требования, предъявляемые к алгоритмам обработки сигналов радиотехнического комплекса
Введение к работе
Актуальность темы. Осуществление- возрастающих объемов перевозок на железной дороге связано с необходимостью повышения осевых нагрузок и скоростей движения поездов. Безопасность функционирования железнодорожного транспорта России в значительной мере определяется техническим состоянием рельсового пути и мерами по поддержанию его качества. В этих целях непрерывно развиваются методы мониторинга верхнего строения пути, который включает в себя диагностику состояния рельсовой колеи и дефектоскопию рельсов. Комплексная автоматизированная диагностика верхнего строения пути производится современными средствами диагностики к которым относятся: вагоны-путеизмерители, вагоны-дефектоскопы, диагностические комплексы («Интеграл», «Эра»). Они дают информацию о состоянии пути с занесением данных в общие базы для дальнейшего сопоставления с полученной за предыдущие периоды информацией. Необходимо отметить, что на серийных путеизмерительных комплексах отсутствуют технические средства, позволяющие проводить диагностику балластной призмы и земляного полотна в высокоскоростном режиме.
Радиотехнический метод диагностики в сочетании с другими техническими средствами может обеспечить получение непрерывной и достоверной информации о состоянии железнодорожного пути. Достоинствами радиотехнического метода являются: ~ возможность получения непрерывной информации о состоянии балластного слоя и земляного полотна (границы раздела сред, неоднородности в среде, переувлажнение грунтов) в условиях большого количества помех, создаваемых инфраструктурой железной дороги; ~ возможность проведения диагностики при больших скоростях движения с отрывом антенн от поверхности исследуемой среды (бесконтактная диагностика);
7 ~ повышение качества съемки за счёт использования каналов на различных частотных диапазонах.
Таким образом, для решения задач мониторинга балластной призмы и
земляного полотна железных дорог существует настоятельная
необходимость осуществления разработки и внедрения
высокопроизводительного специализированного радиотехнического
комплекса. Несмотря на существенные достижения в развитии подобных зондирующих приборов, используемых в геофизике, строительстве и других областях, существует целый ряд не исследованных и не решенных специфичных вопросов, связанных с особо сложными условиями работы оборудования и сложностью решаемых задач для мониторинга ЖД путей. В связи с этим исследуемые в работе научные задачи являются актуальными.
Целью диссертационной работы является разработка научных основ и технических решений, обеспечивающих возможность мониторинга балластной призмы и земляного полотна железнодорожных путей радиотехническими методами.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Обосновать применимость метода радиотехнического мониторинга
балластной призмы и земляного полотна железнодорожных путей;
2. Исследовать спектральные характеристики типовых видов импульсов
возбуждения передающей антенны и выбрать приемлемый способ
возбуждения;
3. Провести анализ и выбор радиотехнических методов формирования
зондирующих сигналов для комплекса;
4. Исследовать пути создания импульсных антенн радиотехнического
комплекса и проанализировать характеристики наиболее известных
импульсных антенн с целью определения их пригодности для
использования в комплексе, разработать импульсную антенну с
8 повышенным уровнем подавления сигналов в задней полусфере и разработать методику измерения её направленных свойств; 5. Предложить алгоритмы обработки сигналов с целью максимального повышения наглядности, а также с целью автоматизации интерпретации результатов мониторинга железнодорожного пути.
Методы исследований. При решении поставленных задач использовались методы статистической радиотехники, спектрального анализа, математического моделирования и анализа электродинамических задач, методы объектно-ориентированного программирования, натурное моделирование и эксперимент.
Научная новизна. В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:
Определён оптимальный вид импульса возбуждения передающей антенны радиотехнического комплекса с учётом проведенных исследований спектральных характеристик различных видов импульсов возбуждения.
Исследованы пути создания импульсных антенн радиотехнического комплекса. Разработана импульсная антенна с повышенным уровнем подавления сигналов в задней полусфере. Разработана методика измерения направленных свойств импульсной антенны.
Предложен новый алгоритм обработки результатов зондирования, компенсирующий последствия влияния переотражений между дном вагона, антенной и средой.
Разработаны новые алгоритмы, позволяющие автоматизировать процесс обработки сигналов и интерпретацию результатов зондирования.
Практическая ценность работы. Результаты проведенных исследований обуславливают основные технические решения, связанные с разработкой радиотехнического комплекса для мониторинга состояния балластной призмы и земляного полотна, что необходимо для производства и
контроля ремонтов, прогнозирования стабильности земляного полотна железных дорог, проведения диагностики железнодорожного пути на скоростях движения вплоть до 120 км/ч. По исследуемой теме получены два патента.
Реализация и внедрение результатов работы.
Научные и практические результаты диссертационной работы использованы и внедрены при разработке радиотехнического комплекса и его модификаций для мониторинга балластной призмы и земляного полотна железнодорожных путей, который в 2009 году после проведения опытной эксплуатации включён в состав серийно выпускаемых диагностических вагонов-лабораторий «Интеграл» и «Эра» .
Разработана модификация комплекса для использования на диагностических железнодорожных тележках и на мобильной лаборатории «ЛДМ-1».
3. Разработанная импульсная антенна и алгоритмы, автоматизирующие
процесс обработки и интерпретации результатов зондирования внедрены в
серийно выпускаемые георадары «ОКО-2», предназначенные для
оснащения автомобильных дорожных лабораторий.
Достоверность полученных результатов обуславливается корректностью исходных положений и преобразований, апробацией предложенных решений на примерах, совпадением результатов теоретического анализа, численного математического моделирования на тестовых объектах и натурного эксперимента, а также результатами приёмосдаточных испытаний радиотехнического комплекса.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили положительные отзывы на конференциях: «Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике», г. Муром, 2006г.; «Георадар-2004», г. Москва, 2004г.; «Сверхширокополосные сигналы и системы» UWBSIS -2004, Украина, г.Севастополь, 2004г.; «Инженерная геофизика», г. Геленджик, 2005г.;
10 «Инженерная геофизика», г. Геленджик,2006г.; «Инженерная геофизика», г. Геленджик, 2007г.; «Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации железнодорожного пути» г. Москва 2007г.; XXVI Всероссийском симпозиуме «Радиолокационное исследование природных сред», г. Санкт-Петербург,2009г.; «Инженерная и рудная геофизика» 2008г., г. Геленджик; «Инженерная и рудная геофизика»-2009г., г. Геленджик.
Публикации. По основным результатам выполненных в диссертации исследований опубликована 21 печатная работа, из них 11 научных статей, 10 тезисов докладов, получено два патента.
Основные положения, выносимые на защиту:
Для возбуждения передающих антенн целесообразно использовать «метод ударного возбуждения антенны» импульсом с формой моноцикла. При этом достигается наибольшая степень согласования спектра импульса с частотной характеристикой передающей антенны.
Для устранения переотражений необходимо исключить фидерный тракт в приёмной и передающей частях радиотехнического комплекса, располагая формирователь импульсов непосредственно на выходе передающей антенны, а усилитель - непосредственно на входе приёмной антенны. Для уменьшения отражений импульсных сигналов от концов раскрыва приемной и передающей антенны необходимо демпфирование антенн с помощью объемного радиопоглощающего материала и концевых резисторов.
3) При построении формирователей импульсов радиотехнического комплекса
целесообразно использовать схемотехнические решения на базе лавинных
транзисторов.
4) Для минимизации экранирующего влияния шпал вектор электрического
поля приемных и передающих антенн должен быть перпендикулярен
шпалам.
5) Алгоритм обработки сигналов "подавление переотражений"
позволяет ослабить на 6... 10 дБ величину помех, вызванных
переотражениями зондирующих импульсов между дном вагона, антенной
и средой.
6) Для автоматизации процесса выделения на радарограммах участков с
повышенным содержанием влаги и построения границ раздела сред
целесообразно использовать алгоритмы, основанные на анализе
относительного изменения энергии отраженных сигналов в процессе
перемещения вдоль исследуемого пути.
Структура диссертационной работы.
В главе 1 диссертационной работы подчёркнута роль железнодорожного транспорта, приведен обзор технологий для дистанционного радиотехнического мониторинга железнодорожных насыпей, показана актуальность разработки дистанционных высокопроизводительных методов диагностирования состояния балластной призмы и земляного полотна железнодорожного пути, определены технические требования к радиотехническому комплексу с учётом особых условий работы в составе путеизмерительных вагонов.
В главе 2 обобщены результаты исследований электрических свойств различных строительных материалов, используемых в строительстве железнодорожных путей, определён наиболее оптимальный вид импульса возбуждения передающей антенны радиотехнического комплекса, разработана схема формирователя импульсов возбуждения на лавинных транзисторах.
В главе 3 исследованы пути создания импульсных антенн, проанализированы характеристики наиболее известных импульсных антенн с целью возможного их использования для радиотехнического комплекса, разработана новая импульсная антенна с повышенным уровнем подавления
12 сигналов в задней полусфере, разработана методика измерения ДН импульсной антенны.
В главе 4 предложен эффективный комплекс методов обработки с
целью максимального повышения наглядности результатов
радиотехнического обследования, предложен новый алгоритм обработки записанных радарограмм, обеспечивающий программную компенсацию последствий переотражений между дном вагона, антенной и средой, разработаны алгоритмы, которые позволили на радарограммах автоматизировать процесс выделения участков с повышенным содержанием влаги и построение границ раздела сред.
В главе 5 приведена информация об итогах разработки и внедрения многоканального высокоскоростного комплекса для радиотехнического мониторинга балластной призмы и земляного полотна железнодорожных путей, разработанного на основе научных и практических результатов диссертационной работы.
Технические проблемы железнодорожного транспорта
Значительно возросшие поездные нагрузки будет воспринимать на себя железнодорожный путь. Существующее верхнее строение пути с использованием безстыковых рельсов на железобетонных шпалах позволяет пропускать поезда с повышенными скоростями и нагрузками, что нельзя сказать о земляном полотне. В настоящее время согласно техническому паспорту 7,3% или 6298 км от общей протяженности железнодорожного пути на сети дорог являются дефектными. Большая часть земляного полотна построена в середине XIX века и не соответствует современным нормам. В частности заужена ширина основной площадки, имеются балластные шлейфы, завышена крутизна откосов. Устаревшие водопропускные сооружения плохо отводят поверхностные и грунтовые воды от земляного полотна. Возникающие при этом зоны переувлажнения приводят к значительному уменьшению несущей способности земляного полотна. На этапах современного строительства также нередко происходят нарушения строительных технологий. Все эти проблемы являются основным препятствием для увеличения скоростей движения и веса поездов.
В настоящее время транспортная сеть России включает 162 тыс. кммагистральных железнодорожных линий и подъездных путей. Следуетотметить, что до настоящего времени освоенные территории обеспечивалисьжелезными дорогами построенными в основном до 1917 года. За годы
Советской власти прирост сети железных дорог и территорий, которые сталиосваиваться благодаря строительству новых стальных магистралей, былнезначителен. В настоящее время железнодорожная отрасль сталкивается сцелым рядом трудностей, касающихся, прежде всего, техническойизношенности подвижного состава , дефектами железнодорожных путей ,неудовлетворительной организацией контроля состояния пути намагистралях и станциях . По этим причинам за 2008 год было допущено 83 излома рельсов, в том числе на Московской дороге 15, Северной - 10, Южно-Уральской и Приволжской по 8, Красноярской и Забайкальской по 6. На устранение последствий произошедших в связи с этим железнодорожные аварии и катастроф требуется значительные финансовые и материальные затраты. Нередко аварии носят катастрофический характер, приводя к человеческим жертвам и опасным экологическим загрязнениям.
Основа безопасности на железнодорожном транспорте — это прежде всего надежность и стабильность железнодорожного пути.
Железнодорожный путь состоит из нижнего и верхнего строений (Рис. 1.1). Нижнее строение включает в себя земляное полотно (насыпи, выемки, полунасыпи, полувыемки) и искусственные сооружения (железнодорожные мосты, тоннели, трубы и т.д.). Земляное полотно представляет собой комплекс грунтовых сооружений, получаемых в результате обработки земной поверхности и предназначенных для укладки верхнего строения пути, обеспечения устойчивости пути и защиты его от воздействия атмосферных и грунтовых вод. Земляное полотно должно быть прочным, устойчивым и долговечным, требующим минимума расходов на его устройство, содержание и ремонт и обеспечивающим возможность широкой механизации работ. К верхнему строению пути относится балластные слой, шпалы мостовые и переводные брусья, рельсы и т.д. Под воздействием внешних факторов с течением времени в земляном полотне могут возникнуть дефекты и деформации, которые могут привести к полным и частичным отказам объектов земляного полотна. При тщательном соблюдении правил сооружения и эксплуатации стабильность земляного полотна, как правило, надёжно обеспечивается. При несоблюдении же этих пути.правил, а также при нарушении устойчивости земной поверхности или стихийных явлениях происходят изменения формы, или так называемые деформации земляного полотна. Различают деформации и повреждения основной площадки земляного полотна, повреждения откосов, повреждения и разрушения тела и основания земляного полотна, в том числе при слабом основании или неблагоприятном воздействии природных факторов. Деформации и повреждения основной площадки земляного полотна бывают в виде углублений на основной площадке и пучин (Рис. 1.2). Углубления на основной площадке образуются из-за вдавливания балластного слоя в земляное полотно. При недостаточной толщине балластного слоя или несущей способности грунта основной площадки образуются углубления под шпалами, называемые балластными корытами (а). Если не принять своевременных мер, то балластные корыта увеличиваются, образуя балластные ложа (б), мешки (в) и гнезда (г). В свою очередь это может быть в дальнейшем причиной разрушения или ускоренного износа верхней части железнодорожного
Для предупреждения деформаций основной площадки насыпи отсыпают однородными грунтами с высокой несущей способностью, тщательно уплотняют их, не допускают попадания в тело земляного полотна , обеспечивают достаточную толщину балластного слоя до открытия движения поездов. Оздоровлять земляное полотно при наличии балластных корыт можно путем их вырезки или осушения сплошной боковой срезкой. Поддержание пути в работоспособном состоянии - основная цель системы технического обслуживания железнодорожного пути, основанная на использовании комплекса технических, организационных, технологических средств. Однако для эффективного функционирования системы технического обслуживания пути необходима информация о состоянии пути. Поэтому особую актуальность приобретает задача повышения информативности оценки состояния пути по показаниям различных диагностических систем с использованием различных физических методов.
Безопасность функционирования железнодорожного транспорта России, являющаяся важнейшим экономическим и социальным фактором, в значительной мере определяется техническим состоянием рельсового пути и мерами по поддержанию его качества.
Система мониторинга железнодорожного пути должна обеспечить получение достоверной информации (для планирования капитальных ремонтов, лечения земляного полотна и проверки качества всех видов ремонтов) , а также прогнозировать развитие дефектов и деформаций железнодорожного пути. Мониторинг железнодорожного пути складывается из мониторинга верхнего строения, балластного слоя и земляного полотна [2,3]. Для наглядности на рис. 1.3 представлена схема мониторинга железнодорожных путей и порядок использования полученных данных.
Требования к формирователю зондирующих импульсов для радиотехнического комплекса
Основными потенциальными параметрами радиотехнического комплекса являются максимальная глубина зондирования исследуемой среды, обладающей потерями, и разрешающая способность. Максимальной глубиной зондирования (глубинностью) принято считать максимальную глубину до отражающего объекта, отраженная волна от которого может быть выделена в том числе с использованием дополнительных методов обработки.
На практике приходится искать компромисс между требованием обеспечить максимальную глубину зондирования и приемлемым значением разрешающей способности . Отдельно рассмотрим определения разрешающей способности по глубине и пространственной разрешающей способности. Пространственная разрешающая способность равна минимальному расстоянию между объектами по горизонтали, на котором различимы два отражающих объекта или их детали. Все используемые для георадаров сверхширокополосные антенны, удовлетворяя условию минимизации физических размеров, являются слабонаправленными и обеспечивают излучение и приём коротких импульсов в секторе 60-90. В этих условиях говорить о высоких параметрах разрешающей способности по угловым координатам не приходится. Однако следует отметить возможность существенного увеличения разрешающей способности по угловым координатам за счет совместной обработки информации регистрируемой последовательно по траектории движения георадара вдоль исследуемой поверхности.
При зондировании слоистых сред или протяженных объектов величина пространственной разрешающей способности в основном определяется размерами площадки, в основном участвующей в формировании отраженного сигнала. Два или более отражающих объекта в пределах этой площадки будут неразличимы на записи. Размеры этой площадки определяются радиусом первой зоны Френеля [37] :где h — глубина расположения отражающих объектов, А,ср — длина волны в среде. Разрабатываемый радиотехнический комплекс должен обеспечивать радиолокационное зондирование железнодорожных насыпей, образуемыхсредами с некоторой средней диэлектрической проницаемостью ср . С учётомэтого длинна волны в исследуемой среде составляет :
Георадиолокационные трассы являются результатом регистрации радиотехническим комплексом отражённых от неоднородностей среды зондирующих сигналов в интервале, начиная со времени, несколько опережающего момент излучения зондирующих импульсов, до конца интервала записи. При выполнении комплексом сплошного обследования железнодорожных путей расстояние между соседними трассами необходимо выдерживать таким, чтобы в соседних точках зондирования осуществлялось частичное перекрытие зон Френеля .
Разрешающая способность по глубине равна минимальному расстоянию по глубине, на котором могут быть различимы два отражающих объекта или их детали. Разрешающая способность по глубине рассчитывается по формуле :
Важным параметром, характеризующим возможность примененияметода георадиолокации в различных средах, является удельное затуханиесреды. Этот параметр характеризует уменьшение амплитуды излучённыхсигналов в средах с потерями за счет токов проводимости и определяетглубинность зондирования радиотехнического комплекса. Для песчано глинистого грунта с удельным электрическим сопротивлением ниже 100 Ом .м, из которого часто состоит земляное полотно железной дороги, этидополнительные потери доходят до 10... 15 дБ/м [38,106]. Скоростьраспространения электромагнитных волн в среде определяется еёдиэлектрической проницаемостью . Знание этого параметра необходимого дляточного пересчета временной задержки отраженного импульса в дальность доотражающей границы. Вопросу изучения основных электрическиххарактеристик сред, которые могут исследоваться с помощью георадаров, посвящено много научных работ российских и зарубежных авторов , например, [18,19,38...41]. Проведенный анализ опубликованных разрозненных данных в этих работах позволил составить сводную таблицу основных электрических характеристик различных сред на частотах 400-600МГц (табл. 2.2) , которые могут иметь отношение к земляному полотну и балластной призме железнодорожного пути . Погонные потери в средах с затуханием довольно сильно зависят от влажности и от уровня минерализации (засоленности). Значительным уровнем минерализации, как правило, обладают участки железнодорожных путей в пригородной зоне и в черте сортировочных станций . В таблице приведенные данные по потерям примерно соответствуют невысокому уровню минерализации (менее 1 г/дм ). Величина потерь зондирующего сигнала довольно сильно зависит и от частоты электромагнитной волны. При этом общей закономерностью является то, что с увеличением частоты зондирующего сигнала растут его потери в среде. Как правило, исследуемые геофизические среды имеют ярко выраженные дисперсные свойства и действуют на зондирующие сигналы как фильтр нижних частот. Так, например, для чернозёма с влажностью 5% при изменении частоты с 250 МГц до 1000 МГц потери растут с 17 дБ/м до 30 дБ/м [42].
В работе [43], выполненной с участием автора, обобщены результаты исследований электрических свойств различных горных пород , большинство видов которых могут потенциально использоваться в качестве материала при строительстве железных дорог. В этой работе приводятся результаты исследований в широком диапазоне частот (от 1,5 кГц до 2,4 ГГц) . Особую важность имеют результаты исследований комплексной диэлектрической проницаемости на различных частотах, обобщаются сведения о связи между солёностью породы и электрической проводимостью.
Классическая радиолокация воздушных целей использует в качестве зондирующих сигналов радиоимпульсы с несущей частотой от единиц до десятков ГТц с использованием различных типов модуляции. При радиолокационном зондировании земляного полотна и балластной призмы железнодорожного пути подобный тип сигналов с использованием столь высоких частот не может быть использован по причине сильного затухания радиоволн в зондируемой среде. Пространственная протяжённость радиоимпульсов , определяющая разрешающую способность по дальности , в узкополосных локаторах составляет десятки и сотни метров. Поэтому данный вид зондирующих сигналов не применим в радиотехническом комплексе, так как достигаемая величина разрешающей способности не обеспечивает выполнение задачи зондирования железнодорожной насыпи на глубины до требуемых 2-3 метров при необходимой разрешающей способности по глубине 10-15 см . Увеличение разрешающей способности по дальности за счет уменьшения длительности радиоимпульса ведёт к увеличению используемой полосы частот. С другой стороны, для увеличения максимальной глубины зондирования за счет уменьшения потерь в исследуемой среде целесообразно работать на возможно более низкой несущей частоте. В пределе можно перейти к сверхширокополосным импульсам, имеющим от одного до несколько колебаний электромагнитного поля .
Подходы к проектированию антенных устройств
Как уже указывалось, происходящее в настоящее время освоение на новом этапе ветви радиотехники, основанной на использовании сверхкороткоимпульсных и сверхширокополосных сигналов затрагивает принципы проектирования радиотехнических устройств, которые связаны с генерацией, излучением, приемом и обработкой таких сигналов . При этом следует отметить наличие принципиальных различий в подходе к проектированию устройств, осуществляющих преобразование электрических сигналов в сигналы электромагнитные и обратно. Как известно, в традиционной радиотехнике такими устройствами являются антенны . К настоящему времени теория и практика традиционной антенной техники освоена на достаточно приемлемом уровне. С позиции выявления различий между традиционной антенной техникой и техникой излучения и приема сверхкоротких импульсов, следует отметить, основные моменты, связанные с использованием обычных антенн.1. Временная структура излученных полей в любой точке пространствас очень высокой степенью точности повторяет структуру электрическихсигналов, возбуждающих антенну. Тоже относится и к условиям приема.2. Количественное описание свойств антенн в виде комплексатехнических характеристик относится к случаю возбуждения антеннысинусоидальным сигналом бесконечной длительности и фиксированнойчастоты (или ряда частот).3. Характеристики излучения относятся к так называемой «дальнейзоне», где отсутствует их зависимость от удаления точки наблюдения отпередающей антенны. Следует отметить, что в антенный технике существуетдва различных понятия дальней зоны. Одно относится к слабонаправленнымантеннам типа элементарных излучателей и характеризует расстояние отцентра излучателя, начиная с которого структура электромагнитного поля совпадает со структурой сферической электромагнитной волны в отношении компонент электрического и магнитного полей, поляризации излучения, зависимости амплитуд полей от расстояния. В данном случае расстояние до дальней зоны близко к значению длины волны излучения.
Другое понятие дальней зоны относится к направленным антеннам. Здесь граница дальней зоны располагается на таком удалении от передающей антенны, когда поле в пределах площадки, соответствующей размерам раскрыва передающей антенны, может считаться плоской электромагнитной волной. Расстояние до границы дальней зоны зависит от направленных свойств антенны, которые, в свою очередь, зависят от отношения размеров антенны D к длине волны излучения X . Обычно считают, что расстояние до границы дальней зоны в DMaKC IX раз больше максимального размера раскрыва антенны DMaKC.
В классической радиотехнике расстояние от передающей антенны до приемной антенны или до объекта, рассеивающего падающее электромагнитное поле, как правило, превышает расстояние до границы обеих дальних зон. Переходя к рассмотрению особенностей радиотехники сверхкороткоимпульсных сигналов, следует отметить следующее. Во-первых, временная структура электромагнитного импульса всегда отличается от структуры возбуждающего излучатель электрического сигнала. Здесь уместна аналогия между антенной и линейным четырехполюсником с комплексным коэффициентом передачи. Ситуация серьезно усложняется из за того, что эквивалентный коэффициент передачи зависит от направления на точку наблюдения. Это означает, что эпюра излученного электромагнитного импульса зависит от направления на точку наблюдения. Кроме того, при анализе формы электромагнитного импульса необходимо иметь в виду некоторые фундаментальные свойства электромагнитного поля, накладывающие ограничения на возможные формы (эпюры) электромагнитных импульсов. Всё это привело к тому, что в настоящее время отсутствуют более или менее общепринятые определения параметров, количественно характеризующих излучатели электромагнитных импульсов. Такое положение крайне осложняет как процесс проектирования излучателей, так и количественное сравнение различных типов и конструкций излучателя. Как следствие, проектирование излучателей сверхкоротких импульсов электромагнитного поля в настоящее время может рассматриваться как искусство, использующее инженерную интуицию и наработанный ранее опыт.
Следует отметить, что отсутствие четко определенных параметров антенн импульсного излучения, тормозит развитие метрологической базы в данной области, разработку методик экспериментального исследования, а так же расчет технических характеристик проектируемой системы.
Касательно упомянутой проблемы дальней и ближней зон антенн применительно к технике сверхкоротких импульсов следует отметить следующее. Энергии сверхкороткого импульса несмотря на огромные импульсные мощности часто оказывается недостаточно для достижения значительных дальностей действия аппаратурного комплекса. Такие комплексы можно рассматривать в качестве комплексов сверхмалой дальности действия. Примером такой аппаратуры являются георадары различного назначения и приборы медицинского назначения. Рабочие зоны таких систем соответствуют ближним зонам излучателей, что ещё больше усложняет проблему формулировки параметров приемных и передающих антенн.
Необходимо отметить также, что в пределах ближних зон, являющихся частью рабочих зон, неизбежно располагается множество объектов различной природы: металлических предметов, поверхностей раздела сред, блоков аппаратуры, персонала и т.п. Как уже указывалось ранее, в случае радиотехнического комплекса для контроля состояния железнодорожного пути такими объектами являются рельсы, шпалы с металлической арматурой, днище и колесные пары вагона-лаборатории и вообще вся инфраструктура железнодорожного пути.
Вышеизложенное ещё раз подтверждает мысль о новизне и сложности задачи создания излучающих систем, позволяющих получить приемлемые характеристики разрабатываемого комплекса.
Несмотря на отмеченное выше наличие ряда существенных и принципиальных различий в подходах проектирования антенн в традиционной радиотехнике и технике сверхкороткоимпульсных сигналов важно выявить и использовать те положения антенной техники, которые могут быть использованы при проектировании сверхороткоимпульсных антенн. Здесь общим моментом может являться диапазонность антенны. Так как сверхкоротким импульсам соответствует сверширокополосный спектр, то проблема обеспечения сверхширокой рабочей полосы в антенне представляется первостепенной.
Следует отметить, что в классической антенной технике отсутствует однозначное определение диапазонности антенны. Дело в том, что число параметров, описывающих свойства антенны, доходит до 20. Каждый из этих параметров по-своему зависит от частоты синусоидального сигнала. Как правило, количественно диапазонность антенны определяется изменчивостью по частоте того параметра, который существенно влияет на функционирование и характеристики той системы, в которой используется данная антенна. Например, диапазонность может ограничиваться допустимым возрастанием уровня боковых лепестков диаграммы, смещением максимума луча, снижением кпд, ухудшением поляризационных характеристик и т.п.
Своего рода обобщенным параметром, характеризующим диапазонность антенны, может являться коэффициент полезного действия, вернее его зависимость от частоты. Как правило, под коэффициентом полезного
Технические требования, предъявляемые к алгоритмам обработки сигналов радиотехнического комплекса
В конечном итоге эффективность работы радиотехнического комплекса в значительной мере определяется алгоритмами и методами обработки сигналов. Главные особенности обработки сигналов, регистрируемых радиотехническим комплексом при обследовании железнодорожных путей, вытекают из условий решения и содержания задач, стоящих перед комплексом, эти задачи были рассмотрены в главе 1.
Первая особенность - наличие большого количества помеховых отражений от близко расположенных отражающих объектов и рельсо-шпальной решётки, что значительно усложняет задачу интерпретации георадарных сигналов. При этом следует ожидать, что большая скорость движения комплекса (до 100-120 км/ч) скажется на качестве радиотехнического обследования.
Другая особенность - из-за очень больших объёмов записей регистрируемых сигналов их обработка в "ручном" режиме заняла бы недопустимо много времени. Например, объём записей зарегистрированный в течение одной рабочей смены радиотехническим комплексом на участке пути в 1000 км составит около 20...30 Гбайт. Обработка этого объёма записей одним оператором в "ручном" режиме заняла бы не менее месяца, в то же время как основная цель применения радиотехнического обследования состоит в получении оперативной информации о дефектах и нарушениях. Эти особенности должны учитываться при разработке специализированного программного обеспечения, призванного значительно облегчить обработку и интерпретацию георадарной информации. С учётом указанных факторов алгоритмы обработки сигналов радиотехнического комплекса должны обеспечивать:1) Наглядность и простату визуализации радарограмм;2) Высокую производительность обработки, позволяющую обрабатывать большие массивы (1-ЮГбайт) в течение одной рабочей смены;3) Подавление мощных помеховых отражений от близкорасположенных отражающих объектов;4) Выделение полезных сигналов за счет разного вида фильтрации;5) Коррекцию отраженных сигналов с целью повышения разрешающейспособности радиотехнического комплекса;6) Автоматизацию процесса интерпретации зарегистрированных радарограмм .Следует ещё раз подчеркнуть, что основной конечной целью обработки сигналов является : уточнение структуры балластной призмы ж/д полотна с выделением границ и определением толщины каждого слоя; выделение участков с повышенной влажностью; выявление участков с балластными нарушениями (глава 1); оценка состояния щебеночного слоя (степень загрязнённости).В соответствии с сформулированными задачами и целями были разработаны и исследованы алгоритмы обработки сигналов 139 радиотехнического комплекса. Общую структуру алгоритма обработки целесообразно разбить на два функционально законченных этапа (рис.4.1) -предварительная обработка сигналов и автоматическая обработка радарограмм.
Первый этап обработки сигналов (предварительная обработка сигналов) предусматривает комплекс мер по максимальному повышению информативности радарограмм. Как уже указывалось ранее, анализ георадарных сигналов значительно усложняется из-за : - наличия большого количества сигналов в виде пассивных и активных помех ; - искажений , связанных с аппаратными погрешностями ; - наличия различных видов переотражений при излучении и распространении зондирующих сигналов ; - частотно-зависимых искажений, связанных с дисперсионными свойствами зондируемых сред; - недостаточно высокой разрешающей способность по дальности и по продольным координатам. Проведенные опытно-методические исследования позволили определить наиболее эффективные алгоритмы обработки, которые целесообразно использовать на предварительном этапе обработки данных радиотехнического комплекса. Ниже будут рассмотрены наиболее существенные из них. Второй этап обработки (автоматическая интерпретация радарограмм), как было отмечено ранее, является наиболее важной и сложной частью общего алгоритма обработки сигналов, с помощью которого осуществляется выделение границ слоев и выделение участков с дефектами в автоматическом режиме. Эта задача подразумевает работу с двухмерными массивами информации — радарограммами и её можно по ряду признаков отнести к классу задач по распознаванию образов. Успешное решение этой задачи является существенным преимуществом разрабатываемого комплекса, обеспечивающим его широкое практическое использование в задачах мониторинга состояния железнодорожных путей. Необходимо отметить, что в рассмотренных в главе 1 современных зарубежных георадарных комплексах в основном интерпретация радарограмм осуществляется оператором в малопроизводительном «ручном режиме», либо степень автоматизации носит частичный характер.
Наглядность используемой визуализации результатов георадарного обследования имеет большое значение. Как показала практика, интерпретация радарограмм даже в автоматизированном режиме требует некоторого экспертного участия оператора для контроля работоспособности
