Введение к работе
Актуальность темы. Во многих областях техники существует потребность в решении задач обнаружения и определения положения и других параметров объектов-источников магнитных полей. Такими объектами являются железорудные месторождения полезных ископаемых и корпуса судов, вызывающие местную аномалию магнитного поля Земли (МПЗ), работающие электро- и радиосредства, объекты-нарушители, обладающие собственным или наведенным магнитным моментом, пересекающие охраняемый рубеж, мозг и сердце человека при магнитографических исследованиях.
Во всех перечисленных практических приложениях речь идет об обнаружении и определении параметров источников весьма низкочастотных магнитных полей в диапазоне от сотых долей герца до единиц килогерц, когда приемное устройство располагается в пределах зоны индукции источника магнитного поля.
В середине 80-х годов радиотехнические системы специального назначения, решающие подобные задачи, объединены термином системы "магнитной локации" (МЛ).
Для выполнения своих функций система МЛ должна обеспечить измерение (в частном случае - обнаружение) сигнала от объекта-источника -помощью измерительных преобразователей (ИГО некоторых выбранных параметров магнитного поля и вычисление по полученным данным параметров источника, т.е. решение обратной задачи для источника поля.
Известно достаточно много решений обратной задачи в квазистатическом приближении, полученных для различных наборов исходной информации о параметрах поля. В частности, это направление активно развивалось в ВНИИМе им. Д. И. Менделеева, ЛЭТИ им. В. И. Ульянова (Ленина), Институте кибернетики в г.Киеве.
Достижение высокой точности определения параметров источника связано с обеспечением малых ошибок измерения параметров созданного им магнитного поля. Однако на практике это затруднительно из-за действия помех. Главной особенностью помеховой обстановки в рабочем диапазоне частот систем МЛ является идентичность спектрально-временных характеристик сигнального и помэховых полей. Поэтому актуальной становится задача разработки методов и средств пространственной селекцми. При этом фазовые методы не могут быть использованы, и пространственная селекция должна быть реализована только амплитудными методами.
Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является раз-
работка методов и средств пространственной селекции источников магнитного поля для аоны индукции, обеспечивающих работу систем МЛ в реальной помеховой обстановке.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:
решаются обратные задачи для дипольного источника по результатам измерения только первых пространственных производных компонент вектора магнитного поля. При этом рассматривается общий случай и ряд практически важных частных случаев, связанных с наличием априорной информации о некоторых параметрах источника;
разрабатываются структуры пространственных фильтров, использующих различную пространственную изменчивость сигнального и помехового полей;
определяется эффективность использования пространственных фильтров и ее зависимость ог ошибок измерения пространственных производных (градиентов) поля;
разрабатываются методы повышения точности градиентных измерений;
проводятся экспериментальные исследования макетов чисто градиентных систем МЛ;
разрабатываются две практические системы МЛ, предназначенные для обнаружения пространственных неоднородностей в водной среде.
Методы исследований. В работе используются метод пространственно-градиентного анализа физических полей, элементы математического анализа и математической статистики, метод аналогии, математическое и физическое моделирование, эксперимент.
Научная новизна проведенных исследований состоит в следующем.
Решена задача расчета местоположения и вектора момента источника магнитного поля дилольной модели в квазистатическом приближении по результатам измерений только первых пространственных производных компонент вектора индукции. Решение получено для общего случая и для ряда практически важных частных случаев при наличии априорной информации о некоторых параметрах источника.
, Предложен способ определения вектора индукции магнитного поля, не связанный с его непосредственным измерением.
Разработаны структурные схемы режекторных фильтров по дальности и угловому положению.
Предложено оригинальное устройство для электронной балансировки
градиентометрического ЯП, имеющего различия в фазо-частотных характеристиках составляющих его магнитометров.
Предложена оригинальная пространственная структура многоканального измерителя пространственных производных поля, к которой измерение производных проводится в неортогональных пространственных направлениях.
Разработано устройство для обнаружения проводящих объектов, движущихся в русле реки или канала.
Практическая ценность результатов работы состоит в следующем.
Полученное решение обратной задачи для дипольного источника по результатам чисто градиентных измерений и разработанные на его основе структурные схемы пространственных фильтров по дальности позволяют определять параметры источников магнитного поля в реальной помеховой обстановке.
Результаты математического моделирования позволили определить степень влияния различных источников ошибок градиентных измерений на эффективность пространственных фильтров по дальности и сформулировать требования к точности измерений.
Разработанные методы балансировки градиентометрических ИП. позволили повысить точность измерения пространственных производных поля.
Результаты расчета границ применимости разработанных методов пространственной селекции на основе чисто градиентных измерений позволили определить максимальную дальность действия систем МЛ с пространственными фильтрами в различных средах и диапазонах частот.
Внедренные результаты исследований позволили реализовать действующий натурный макет системы обнаружения проводящих объектов в русле канала в г. Сосновый Бор, а также были использованы при проведении НИР в НИИ "Вектор", что подтверждается соответствующими актами внедрения.
Основные положения диссертационной работы, представляемые к защите.
-
Алгоритм определения местоположения и дипольного момента источника магнитного поля, использующий результаты измерений тензора первых пространственных производных вектора индукции в двух известных пунктах.
-
Способ апосредованного определения вектора индукции магнитного поля ближнего дипольного источника на фоне помеховых полей, созданных существенно более удаленными источниками, включающий измерение тензора первых пространственных производных поля в двух известных
- б -
пунктах, решение обратной задачи для параметров источника и вычисление компонент искомого вектора поля го формулам прямой задачи магнитостатики.
-
Пространственные структуры и алгоритмы обработки результатов измерений, позволявшие реализовать редекторные фильтры по дальности и угловому положению.
-
Пространственная структура многоканального градиентометричес-кого ИП, в которой пространственные производные измеряются в неортогональных направлениях.
Реализация в народном хозяйстве. Результаты диссертационной работы внедрены в НИИ "Вектор" и на Ленинградской атомной электростанции, что подтверждается актами внедрения.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы обсуждались и получили одобрение на Всесоюзном симпозиуме "Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств" (Харьков, 1S86), на 2-ой Всесоюзной конференции "Прием и анализ СНЧ колебаний естественного происхождения" (Воронеж, 1987), на научно-технических конференциях ЛЭТИ в 1984-1988 г. и на научных семинарах в НИИ "Вектор" в 1986-1990 г.
Публикации. Бо теме диссертационной работы опубликовано девять печатных трудов, в том числе четыре статьи, тезисы двух докладов и три авторских свидетельства. Кроме того результаты работы включены в десять отчетов по НИР.
Личный вклад автора в разработку проблемы. Основные научные положения теоретические выводы и практические рекомендации получены автором самостоятельно. ,
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных литературных источников из 85 наименований и четырех приложений. Основной текст диссертации изложен на 142 листах и иллюстрирован 47 рисунками.
